Brakuje tu wykładu z 19. maja i ostatniego wykładu...

Z pozostałych niemal każde słowo jest... a przynajmniej tak mi się wydaje...

Jest troszkę błędów, bo przez 1 dzień przepisywałam, na szybkiego... sorki

Mam nadzieję, że się przydadzą

Powodzenia na egzaminie :)

Wykład 1

Biotechnologia jest dziedziną badawczo-aplikacyjną powstałą ze zintegrowania pewnych działów biochemii, mikrobiologii, genetyki i nauk inżynierskich w celu technologicznego wykorzystania drobnoustrojów, komórek roślinnych i zwierzęcych oraz ich składników.

(Bios-życie, teuchos- narzędzie, logos-nauka).

Biotechnologia klasyczna:

surowiecżywy organizm produkt

Biotechnologia nowoczesna

inżynieria genetyczna

surowiec żywy organizm produkt

Historia biotechnologii

-Rolnicy już 5000 lat przed narodzeniem Chrystusa zauważyli, iż pewne odmiany zbóż lepiej rosną w tych samych warunkach niż inne.

-Rolnicy 1000 lat przed Chrystusem skrzyżowali konia z osłem.

-Przed Pasteurem (przed 1865) technologia piwa, produkcja napojów wysoko alkoholowych, stosowanie drożdży do wypieku pieczywa, produkcja octu, wina, serów, jogurt

- Era Pasteura (1865-1960) produkcja butanolu, acetonu, glicerolu, kwasu octowego

- Era antybiotyków (1940- 1960) odkrycie penicyliny i produkcja antybiotyków na dużą skalę

- Era poantybiotykowa (1960-75) produkcja witamin, kwasu glutaminowego, lizyny, enzymów i ich zastosowanie, produkcja białka jednokomórkowców, gumy ksantanowe

-Nowa biotechnologia (1975-) produkcja przeciwciał monoklinalnych, inżynieria genetyczna (produkcja insuliny, hormonu wzrostu), hodowle tkankowe roślin, komórek zwierzęcych, biosensory, inne białka otrzymane inżynierią białkową, nowe typy bioreaktorów.

Rozwój biotechnologii molekularnej (rekombinacja genetyczna i biotechnologia)

1943- produkcja przemysłowa penicyliny

1944- geny=DNA

1953- struktura DNA

1970- restrykcyjne endonukleazy

1976- sekwencjonowanie DNA

1978- ludzka insulina w E. coli

1982- produkcja rekombinowanej szczepionki zwierzęcej

1988- PCR

1990- początek prac nad ludzkim genomem

1995- zsekwencjonowanie pierwszego niewirusowego genomu

1997- sklonowanie owcy Dolly

2002- zsekwencjonowanie ludzkiego genomu

Podział biotechnologii:

a) zielona- rolnictwo, biotechnologia środowiska- biopaliwa, biomasa bioremediacja, b. żywności, nauka o żywnieniu

b) czerwona- zdrowie, medycyna, diagnostyka

c) biała- bioprzemysł-energia, procesy przemysłowe

d)niebieska- b. przybrzeżna, morza, b. środowiska, hodowla ryb

Niebieska biotechnologia- enzymy i związki bioaktywne z morza

-unikalne bakterie w środowisku morskim (halo-, baro-, termo-, psychrofilne)

-enzymy syntetyzowane przez w/w bakterie o unikalnych właściwościach (np. proszki do prania)

Celem biotechnologii żywności jest poprawa procesu technologicznego, wartości odżywczych, bezpieczeństwa i cech organoleptycznych żywności. Może ona korzystnie wpływać na środowisko poprzez ograniczenie np. stosowania pestycydów.

Nowoczesna biotechnologia jest wyrafinowaną formą tych samych procesów, bazując jednak na zdobyczach inżynierii genetycznej.

Tradycyjne przykłady (klasyczne rozmnażanie roślin, chymozyna- produkcja serów, starterowe kultury bakterii- jogurt, enologia- produkcja wina, browarnictwo, produkcja pieczywa)

Nowoczesna biotechnologia żywności oznacza:

-techniki kwasów nukleinowych in vitro obejmujące rekombinacje DNA i bezpośrednie wstrzykiwanie kwasów nukleinowych do komórek lub organelli

-fuzje komórek taksonomicznych, tak że są pokonane naturalne fizjologiczne bariery i nie są to tradycyjne techniki stosowane do selekcji i rozmnażania

(więcej żywności, lepsza jakość żywności i lepiej dla środowiska)

Produkty GM dopuszczone do produkcji żywności:

-kukurydza oporna na herbicydy i insekty

- soja i nasiona rzepaku oporne na herbicydy

- bawełna oporna na insekty i pestycydy

- oporne na wirusy papaja, ziemniaki, kabaczki są uprawiane na małą skalę

Jakość żywności i przetwórstwo:

-wiele produktów żywnościowych opartych będzie o rośliny GM

-ulepszony profil olejów- bardziej stabilny podczas smażenia

-wolniejsze dojrzewanie= świeższy produkt

-ryż o wysokiej zawartości Wit. A i Fe

-zwiększenie zawartości i poprawa składu aminokwasowego białek kassawy, ziemniaków

-redukcja zawartości białek alergennych w pszenicy

- usunięcie alergenów i składników antyodżywczych w kassawie

-zmiana profilu skrobi i kwasów tłuszczowych

- wzrost zawartości antyoksydantów w soi (izoflawony), pomidorach (likopen)

-wolne od kofeiny ziarno kawowe

-stres środowiska (zasolenie)

Żywność otrzymywana z organizmów modyfikowanych genetycznie

W przybliżeniu 70% żywności w supermarketach w USA jest produkowana z organizmów GM (nie dotyczy to świeżych owoców i warzyw)

• Soja

• Lecytyna (emulgator używany w produkcji czekolady)

• Olej (majonezy, sałatkowe dresingi, margaryna)

• Substytuty mięsa (e.g. "kotlety, analogi kiełbas)

• Kukurydza

• Syrop wysoko fruktozowy (napoje, soki

• Skrobia kukurydziana (budyń, kisiel )

• Enzym chymozyna

• Produkcja serów

• Aspartam (sztuczny słodzik - GMO bacteru

• Napoje , produkty kandyzowane, jogurty

Nowoczesna biotechnologia -zwierzęta hodowlane i ryby

• Zwiększenie szybkości wzrostu wybranych ryb (łosoś) z genem hormonu wzrostu z ryb

• Zwiększenie odporności na choroby poprzez zwiększenie produkcji lysozymu

• Zwiększenie szybkości wzrostu świń i poprawa jakości mięsa (tenderyzacja)

• Wzrost zawartości kazeiny w mleku, a redukcja laktozy

• Zwiększanie odporności zwierząt i ptaków na choroby

Biotechnologia żywności

Drobnoustroje

Komercyjne wykorzystanie drobnoustrojów

• Biomasa

• Drożdże

• Białko mikrobiologiczne

• Żywność fermentowana (utrwalanie żywności)

• Produkcja metabolitów

• Alkohol

• Witaminy

• Antybiotyki, kwasy organiczne

• Konwersja substratów

• Steroidy

. Utylizacja odpadów i ścieków

Fermentacja Żywności- definicje

Anaerobowa degradacja związków organicznych przez system enzymów, w której końcowym akceptorem wodoru jest związek organiczny

Przykład:

Kwas pirogronowy Kwas mlekowy

(CH₃-CO-COOH) (CH₃CHOH-COOH)

Biologiczne procesy zachodzą w ciemności i nie uczestniczy w nich łańcuch oddechowy z udziałem tlenu lub azotanów jako akceptorów elektronów.

Cele fermentacji żywności

1.Poprawa smaku zapachu, tekstur

2. Zniszczenie niepożądanych składników 3.Poprawa wartości odżywczej

4. Skrócenie czasu gotowania 5.Wydłużenie czasu przechowywania

Dlaczego żywność jest fermentowana?

• Utrwalanie żywności

. Hamowanie rozwoju patogenów

. Hamowanie rozwoju drobnoustrojów powodujących psucie się żywności

• Zmiany w charakterystyce organoleptycznej

. Smak . Tekstura . Zapach

• $$$

Fermentacja kontrolowana w stosunku do naturalnej

• Fermentacja naturalna

• Stwarza warunki zapobiegające fermentacji niepożądanej a jednocześnie następuje rozwój fermentacji pożądanej

• Przykłady;

. Fermentacja warzyw

Warzywa + sól

Fermentacja kontrolowana w stosunku do naturalnej

Fermentacja kontrolowana

• Rozważne dodanie drobnoustrojów celem zapewnienia pożądanej fermentacji

. Przykład: fermentowanie produkty mleczne

Laktoza ... kwas mlekowy Kultury starterowe

Bakterie kwasu mlekowego (LAB)

Fermentacja kontrolowana w stosunku do naturalnej

• Wtórna fermentacja

• Mikroorganizmy inne niż starterowe (flora wtórna)

• Przykład: fermentowane produkty mleczarskie

. Nie starterowe bakterie mlekowe (NSLAB)

. Poprawiające właściwości organoleptyczne produktów

Biotechnologia żywności - drobnoustroje w produktach fermentowanych

• Drobnoustroje naturalnie występujące w produktach fermentowanych

• Drobnoustroje izolowane ze środowisk naturalnych i dodawane jako kultury starterowe

Mikroorganizmy stosowane w fermentowanej żywności

• Bakterie produkujące kwas mlekowy

- Homofermentatywne LAB . Heterofermentatywne LAB

• Drożdże produkujące etanol

- Saccharomyces cerevisiae

• Mikroorganizmy produkujące substancje smakowe i zapachowe

- Bacterie, drożdże , pleśnie

• Bakterie produkujące kwas octowy

- Acetobacter

Fermentowane produkty mleczarskie

• Produkty

• Sery

. Fermentowane mleko

. Yogurt

. Mleko acidofilne

. Śmietana

. Masło

. Kefir

. Koumiss

Fermentowane produkty mleczarskie

• Microorganizmy

Lactococcus

Leuconostoc

Lactobacillus

Inne

• Utrwalanie

• Produkcja kwasu mlekowego

Zmiana jakości podczas przetwarzania/dojrzewania

• "Śmietankowy" aromat i smak

• Cytrynian ... Diacetyl

• pewne LAB

• Tworzenie "oczek "

• C0₂ producja

• Propionibacterium s herma n ii

Blue veins"

• Penicillium rogueforti

Napoje fermentowane:

Produkty:

- piwa

- wina

- napoje destylowane

Napoje alkoholowe

• Microorganizmy

~Drożdże

> Saccharomyces cerevisiae

~ Bakterie fermentacji mlekowej

>. Pożądane lub niepożądane w zależności od produktu

Fermentowane warzywa:

- kwaszona kapusta

- kwaszony ogórek

- oliwki

- inne warzywa

Fermentowane produkty mięsne:

1.półsuche kiełbasy

- Summer sausage

- Lebonon bologna

2. Suche kiełbasy

- Geona salami

- Hard salami

- Pepperoni

Fermentowana żywność Azjii

- sos sojowy- fermentowany sos z nasion soi

- miso (Japonia)- fermentowana pasta sojowa

- tempeh (Indonezja)- fermentowana soja

- natto (Japonia)

- Lao chao (Chiny)- fermentowany ryż

- Tape ketan (Indonezja)

- Ang- kak (Korea)- fermentowany ryż

- Ontjam (Indonezja)- fermentowane sprasowane ciasto z orzeszków ziemnych

Fermentowane produkty z ziarna zbóż:

- chleby

- krakersy

- precle

Ocet

• Mikroorganizmy

- Acetobacter and Gluconobacter

- Etanol... kwas octowy

• Utrwalanie

- Kwas octowy

Czekolada

- ziarna z drzewa kakaowego

- naturalnie występująca mikroflora:

Drożdże

Bakteria

Lactobacillus

Acetobacter

Przykłady drobnoustrojowa zaliczanych do grupy GRAS

• GRAS ( generally regarded as safe )

• Bakterie ( Bacillus subtilis, Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus plantarum, Lactococcus lactis, Leuconoctos ocnos

• Drożdże (Candida utilis, Kluyveromuces lactis, Saccharomyces cerevisiae

• Grzyby ( Aspergillus niger, Aspergillus oryzea, Mucor miehei, Penicillum rogueforti

Lag faza

• Komórka syntetyzująca nowe składniki

- t.j., by zapatrzeć się w wyczerpane materiały

- e.g., aby adaptować się do nowego podłoża lub innych warunkówto

• Różny okres trwania

- W pewnych przypadkach może to być bardzo krótki okres w innych brak

Faza ekspotencjalna

• Tak zwana log faza

• Szybkość wzrostu jest stała

• Populacja jest w większości ujednolicona mając na uwadze właściwości fizyczne i chemiczne podczas tej fazy

Faza stacjonarna

• Ogólna liczba żywych komórek pozostaje stała

• ma to miejsce ponieważ metaboliczna aktywność komórek zaprzestaje reprodukcji

• Ma to miejsce ponieważ szybkość reprodukcji jest zrównoważona przez szybkość zamierania

Możliwe przyczyny wejścia w fazę stacjonarną

• Ograniczenia pokarmowe

• Ograniczony dostęp tlenu

• Akumulacja toksycznych produktów

• Osiągnięcie krytycznej gęstości populacji

Odpowiedzi na wygłodzenie

• Zmiany morfologiczne

- t.j., tworzenie endospor

• Zmniejszenie wielkości, kurczenie się protoplastów kondensacja nucleoidów

• Producja białek głodowych

• Długookresowe przeżywanie

• Wzrost wirulencji

Wykład 2

(...)

„Śmietankowy” aromat i smak

Cytrynian... diacetyl

Pewne LAB

Tworzenie „oczek”

CO₂ produkcja

Propionibacterium shermanii

„Blue veins”

Penicilium roqueforti

Wzrost matematyczny

• Czas generacji (podwajania) (g)

- Czas wymagany dla populacji by podwoiła się pod względem wielkości

• Średnia stała szybkości wzrostu (/r)

- Liczba podziałów na jednostkę czasu

-Zwykle wyraża się jako generacje na godzinę

Pomiar wzrostu mikrobiologicznego

• Można mierzyć zmiany w liczbie komórek populacji

• Można mierzyć zmiany w masie populacji

Przybliżone czasy generacji wybranych drobnoustrojów w optymalnych warunkach hodowli

Szczepy	Czas generacji
Escherichia coli	20 minut
Bacillus subtilis	28 minut
Staphylococcus aureus	30 minut

Bakteryjne powielanie

Time	Numbers
0	1
20	2
40	4
80	16
160	256
420	2097152

Czynniki wpływające na wzrost drobnoustrojów

Temperatura adaptacji

Drobnoustroje nie mogą kontrolować swojej temperatury; one żyją w temperaturze otoczenia. Zakres temperatur, który pozwala na ich wzrost można wyrazić poprzez tzw. temperatury kardynalne

- minimalna temperatura- najniższa temperatura która pozwala na kontynuowanie wzrostu i metabolizm

-poniżej, wzrost ustaje

- maximalna temperatura- najwyższa temperatura która pozwala kontynuować wzrost i metabolizm

- powyżej, wzrost ustaje

- Jeżeli jest zbyt wysoka; enzymy DNA , RNA ulegają destrukcji, komórka umiera

- optymalna temperatura- promuje największą szybkość wzrostu i możliwość metabolizowania

- Jest zawsze bliższa temperatura max. niż minimalnej

- Niektóre drobnoustroje mają węższe zakresy temperatur, inne szersze

- pewne bakterie mogą tolerować temp. 0-44^oC

- te żyją w środowiskach otwartych

- Pewne pasożyty mogą tolerować temperaturę w zakresie kilku stopni

- temperatura ciała gospodarza jest utrzymywana

- psychrofile- mają optymalną temperaturę wzrostu poniżej 15^oC i są zdolne do wzrostu w temperaturze 0^oC

-typowe środowiska- pola pod śniegiem, lód polarny, głęboki ocean

- Fakultatywne psychrofile- mogą tolerować i rosnąć powoli w zimnie lecz optymalna temperatura jest powyżej 20^oC

- mogą zanieczyszczać żywność w chłodziarkach (tj. przy 4^oC), np. Listeria

-mezofile rosną w umiarkowanych temperaturach

-Mają optimum wzrostu pomiędzy 20° - 40°C .

-Zasiedlają zwierzęta , rośliny, gleby, wodę itd w temperaturach regionów subtropikalnych umiarkowanych i tropikalnych,

• Termofile- optymalna temperatura wzrostu wynosi ≥45°C

Hypertermofile- optymalna temperatura wzrostu wynosi ≥80°C

-jest duże zainteresowanie enzymami pochodzącymi z termofili, ponieważ w procesach przemysłowych powstaje dużo ciepła

Wymagania gazowe

O₂ i CO₂ mają największy wpływ na wzrost i adaptację drobnoustrojów

O₂ ma największy wpływ na wzrost i adaptację

Ważne w oddychaniu

Silny środek utleniający

3 klasy drobnoustrojów wymagających O₂

Wykorzystują O₂ i detoksykują go

Aeroby, fakultatywne anaeroby, mikroaerofile

Nie mogą wykorzystywać lub detoksykować go

Ścisłe anaeroby

Nie wykorzystują lecz mogą detoksykować go

aerotolerancyjne

Tlen jest toksyczny

• Kiedy tlen reaguje w komórce pewne toksyczne produkty są tworzone

- Singletowy ¹0₂ jest bardzo reaktywny

-Fagocyty wykorzystują go do zabijania bakterii

-Utlenia membranowe lipidy i inne cząsteczki

- Innymi destrukcyjnymi pochodnymi O₂ są nadtlenki (0₂), nadtlenek wodoru (H₂0₂) i hydroksyl (OH^-)

Dwutlenek węgla

Odnośnie do CO₂:

• Wszystkie drobnoustroje wymagają niewielkich ilości

• capnofiles rosną najlepiej w podwyższonym stężeniu C0₂

- e.g. wiele tkanek ma podwyższony poziom CO-,

- e.g. Neisseria (gonorrhea, meningitis) i Streptococcus są capnofilami

Wpływ pH

• Większość organizmów preferuje zakres 6-8 ponieważ kwasy jak i zasady niszczą biologiczne cząsteczki

• Pewne mikroorganismy żyją w ekstremalnych PH

- Euglena mutabilus rośnie w < l p H

- Thermoplasma rośnie w pH 1-2, ulega lizie jeżeli pH= 7.0

• Pewne pleśnie i drożdże tolerują środowisko kwaśne, żywność fermentowana

• Należy pamiętać że większość organizmów utrzymuje pH wewnątrz komórki około 7.0

pH

• acidofile

- Optimum wzrostu pomiędzy pH 0 i pH 5.5

• neutrofile

- Optimum wzrostu pomiędzy pH 5.5 i pH 7

• alkalofile

- Optimum wzrostu pomiędzy pH 8.5 i pH 11.5

Ciśnienie osmotyczne

• Większość drobnoustrojów preferuje warunki izotoniczne (fizjologiczna moc jonowa) lub liypotonlczne (niższa niż fizjologiczna)

- Wysoka zewnątrzkomórkowa moc jonowa powoduje wydzielanie wody z komórki

• Halofile żyją w warunkach wysokiego stężenia soli (hypertonicznych)

• Obligatoryjne halofile wymagają wysokiego stężenia soli n p. Halobacterium i Halococcus rosną optymalnie przy 25% NaCI (bliskie nasycenia), wymagają minimum 15% NaCI

^•P

- Większość drobnoustrojów preferuje warunki l izotoniczne (fizjologiczna moc jonowa) lub

hypotoniIczne (niższa niż fizjologiczna)

• Wysoka zewnątrzkomórkowa moc jonowa powoduje wydzielanie wody z komórki

- Halofile żyją w warunkach wysokiego stężenia soli (hypertonicznych)

-Obligatoryjne halofile wymagają wysokiego stężenia soli n p. Halobacterium \ Halococcus rosną optymalnie przy 25% NaCI (bliskie nasycenia), wymagają minimum 15% NaCI

- Fakultatywne halofile nie wymagają lecz są bardzo tolerancyjne na wysokie zasolenie np. Staphylococcus aureus może rosnąć w podłożu w zakresie 0.1-20% NaCI

Aktywność wodna (Aw)

- Pomiar wody dostępnej

-zakres od 0 do 1.0

- Inhibicja wzrostu

- bacterie <0.91

- drożdże <0.87

- pleśnie <0.80

Podstawowe składniki drobnoustrojów i ich źródła

Składniki	%SM	Źródła
Węgiel	50	Zw. Organiczne, dwutlenek węgla
Tlen	20	Woda, tlen, zw. Organiczne
Azot	14	Amoniak, azotany, zw. Organiczne
Wodór	8	Woda, zw. Organiczne, wodór
Fosfor	3	Fosforany, zw. Organiczne
Siarka	1	Siarczany, siarczki, zw. Organiczne
Potas	1	Sole potasowe
Magnez	0,5	Sole magnezowe
Wapń	0,5	Sole wapniowe
Żelazo	0,2	Sole żelazowe

Podłoża hodowlane

Zawierają składniki niezbędne do wzrostu drobnoustrojów.

• Źródło węgla

-Dostarczają węgla do budowy związków organicznych

• Źródło energii

-Zapewnia komórkom energię (jako ATP)

• Czynniki wzrostowe

-Witaminy, aminokwasy, lipidy, etc.

•Główne składniki mineralne

-azot, fosfor, sód, chlor, magnez, siarka, potas

•Mikroelementy

-Żelazo, miedź, cynk, etc.

Wymagania pokarmowe

Źródło azotu

• Azot organiczny

-Głównie z katabolizmu aminokwasów

• Utlenione formy azotu nieorganicznego

-Azotany (N0₃^-) i azotyny (N0₂^-)

• Zredukowany azot nieorganiczny

-Jon amonowy (NH₄⁺)

• Rozpuszczony azot gazowy (N₂) (wiązanie azotu)

Podłoża hodowlane

• Podłoża kompleksowe

• Niezdefiniowane źródła pożywienia

• Ekstrakt wołowy, ekstrakt drożdżowy, ekstrakt mięsny

• Zawierają mieszaninę źródeł energii/węgla, aminokwasów, soli mineralnych, witamin

• Znany ogólny skład i stężenia

• Podłoża syntetyczne

- Znany dokładnie skład i stężenia wszystkich składników

- Specyficzne sole mineralne i związki organiczne są dodawane

-Glukoza, tryptofan, fosforan amonowy, chlorek potasowy chlorek sodowy, magnezowy, witamina B12, itd.

Podłoże minimalne dla wzrostu Bacillus megaterium. Przykład podłoża chemicznie (syntetycznie) zdefiniowanego dla wzrostu heterotroficznych bakterii

Składnik	Ilość	Funkcje składnika
Sacharoza	10.0 g	C i źródło węgla
K2PO4	2.5 g	pH bufor; P i K źródło
KH2PO4	2.5 g	pH bufor; P i K źródło
(NH4)2HPO4	1.0 g	pH bufor; N i P źródło
MgSO4 7H2O	0,20 g	S i Mg ^2^+ źródło
FeSO4 7H2O	0.01 g	Fe^2+ źródło
MnSO4 7H2O	0.007 g	Mn^2+ źródło
woda	985 ml

pH 7.0

Podłoże kompleksowe dla wzrostu

Składnik	Ilość	Funkcja składnika
Beef extract	1.5 g	Żródło witamin i czynnik wzrostu
Yeast extract	3.0 g	Źródło witamin i czynnik wzrostu
Peptone	6.0 g	Źródło, N, S, P
	1.0 g	Źródło C i energii
woda	1000 ml

pH 6.6

Czynniki wpływające na wybór surowców do podłoży hodowlanych

• Koszt i dostępność

• Łatwość użycia, transportu, przechowywania

• Wymogi związane ze sterylizacją iproblemy denaturacji

• Charakterystyka lepkości, mieszania, stanu fizycznego

• Stężenie produktu, szybkość tworzenia, wydajność na gram substratu

• Poziomy i zakres zanieczyszczeń które mogą wpływać negatywnie na produkty

• Problemy zdrowotne i bezpieczeństwa

Metabolizm komórkowy

Procesy metaboliczne- wszystkie reakcje chemiczne, które zachodzą w organizmie

Dwa typy procesów metabolicznych:

1) anabolizm

- wytwarzane są duże cząsteczki

- wymaga energii

2) katabolizm

- duże cząsteczki są degradowane

- uwalniana jest energia

Katabolizm węglowodanów

Większość drobnoustrojów utlenia węglowodany celem uzyskania energii, także dotyczyć to może białek i lipidów. Dlatego katabolizm węglowodanów jest taki ważny dla drobnoustrojów.

Dwa podstawowe procesy: oddychanie i fermentacja

Pierwszy z nich polega na utlenianiu glukozy do kwasu pirogronowego i nosi nazwę glikolizy.

Wykład 3

Charakterystyka hodowli ciągłych (Chemostaf)

Szybkość dopływu = szybkości odpływu (obj. = const.)

• Szybkość przepływu jest dobrana do stanu ustalonego wzrostu (szybkość wzrostu = szybkości rozcieńczenia)

• szybkość rozcieńczenia > szybkość wzrostu -» hodowla jest wymywana

• szybkość rozcieńczenia < szybkość wzrostu — hodowla ma zwiększony wzrost

• szybkość rozcieńczenia = szybkość wzrostu— hodowla w stanie ustalonym

• Produkt jest odbierany płynu pohodowlanego

• Stabilne chemostatowe hodowle mogą być prowadzone przez tygodnie i miesiące.

Bioreaktóry - fermentory

• Bioreaktory są to zbiorniki w których substraty zawarte w podłożach hodowlanych są wykorzystywane do produkcji specyficznych produktów stosując drobnoustroje, komórki roślinne, zwierzęce i pojedyncze enzymy

• W bioreaktorach stwarzane są optymalne warunki dla wzrostu drobnoustrojów lub produkcji metabolitów poprzez dobór temperatury, pH, natleniania itp

Typy bioreaktorów - rodzaj materiału biologicznego

• Bioreaktory do hodowli komórek

• Reaktory do reakcji enzymatycznych

Typy bioreaktorów

- Bioreaktory do hodowli natlenianych wgłębnych i do hodowli w złożu stały

- energia dostarczana poprzez mieszadło mechaniczne

- poprzez wprowadzanie gazy ( air lift)

- poprzez przepływ cieczy wymuszony pompą

Anaerobowe ; bez wymuszonego ruchu podłoża lub z niewielkim ruchem wymuszonym

Układy kontrolujące w bioreaktorze

• Kontrola temperati.

- Krytyczna dla optymalnego wzrostu

• Natlenianie

- Związane z szybkością przepływu gazu i szybkością mieszania mieszadłem

- Zależność od temperatury

• Mieszanie

- Zależne od wymiarów bioreaktora, wielkości łopatek i listew

- Kontrola szybkości natleniania

- Może powodować uszkodzenie komórek

• pH kontrola

- Ważna dla stabilności i przeżywalności hodowli

• Kontrola piany

Natlenianie

Filtrowane powietrze jest pod ciśnieniem dostarczane do dolnej części ttforeaktora

• Wielkość banieczek powietrza jest uzależniona od średnicy otworów w barboterze

• Czas w którym banieczki powietrza dostana się na powierzchnię jest uzależniony od wielkości banieczek i szybkości mieszania mechanicznego

• Szybkość rozpuszczania się powietrza zależy od powierzchni pęcherzyków i czasu przebywania w pożywce ( czas rezydencji)

• Stężenie dO_? jest uzależnione od szybkości rozpuszczanfa i szybkości poboru przez drobnoustroje

• Elektroda 0₂ daje zwrotna informacje do P9mpy dostarczającej powietrze (musi utrzymywać stałe stężenie tlenu")

Mieszanie

• Wydajność mieszania jest krytyczna dla:

• Homogennego rozkładu składników pożywki w bioreaktorze

• Równomiernej temperatury

• Szybkiej korekty pH

• Zatrzymania pęcherzyków powietrza

• Różne rodzaje łopatek w mieszadle dają różne obrazy mieszania

• Mieszanie jest wspomagane przez obecność listew na ścianach bioreaktora

• Szybkość zewnętrznych części łopatek decyduje o siłach ścinających

• Niektóre rodzaje komórek są bardzo wrażliwe na siły ścinające

• Nadmierne mieszanie może wspomagać pienienie

Kontrola pH

• Większość hodowli ma wąski zakres pH wzrostu

• Zdolności buforowe pożywek są na ogół niskie

• W większości hodowli pH pożywek wzrasta podczas fermentacji

• pH jest kontrolowane przez komputer poprzez dodatek NaOH i HCI za pomocą pomp .

Pienienie

• Pienienie powodowane jest gdy

• Hodowla drobnoustrojów wydziela duże ilości białka lub emulgatorów

• Stosuje się wysoki poziom natleniania

• Nadmierne pienienie się powoduje straty w objętości hodowli i może być powodem zakażenia mikrobiologicznego hodowli

• Pienienie jest kontrolowane przez łamacze piany lub/i dodatek środków przeciw pieniących ( opartych na związkach silikonowych)

Sterylizacja

• Bioreaktor i wszystkie dodatki (pożywka, powietrze) muszą być całkowicie sterylne

• Sterylizacja jest prowadzona przez is performed by:

• autoklawowanie małych bioreaktorów S (<10L);

• Duże biorea który;

- Zbiornik:sterylizacja parą; gaz (tlenek etylenu)

- Pożywka: autoklawoanie lub ultrafiltracja

- Powietrze : ultrafiltracja

Hodowla w złożu stałym

• Hodowle w złożu stałym prowadzone są na substratach stałych o niskiej zawartości wody i obniżonej aktywności wodnej; w typowych hodowlach wgłębnych a... wynosi powyżej 0,95 , o tyle w hodowlach w złożu stałym jest często znacznie niższa a jej zawartość wynosi od 40 do 80% ilości podłoża

Hodowle w złożu stałym

• W hodowlach wykorzystuje się czeso produkty rolnicze lub przemysłu spożywczego takie jak ; otręby, wysłodki, pszenicę, soję słomę i inne

• Niska aktywność wodna sprzyja wzrostowi grzybów nitkowatych i jest czynnikiem selekcjonującym

Zalety hodowli w złożu stałym w stosunku do hodowli wgłębnych

• Mała objętość fermentowanego złoża sprawia że koszty kapitału są mniejsze jak również koszt przeprowadzenia samego procesu fermentacji

• Mniejsze ryzyko zanieczyszczeń mikrobiologicznych

• Łatwość oddzielenia produktu

Wady hodowli w złożu stałym

• Główna wadą jest heterogeniczność podłoża hodowlanego związana z trudnościami w mieszaniu co powoduje

- trudności w kontroli temperatury, pH natleniania

- w dużej objętości jest trudno mieszać podłoże

- przy wysokich obrotach może dochodzić do uszkodzenia grzybni

- rotacyjne tace lub obracające się bębny pozwalają na łagodne mieszanie podłoża

Metabolizm drożdży - drożdże piekarskie

Saccharomyces cerews/ae

izolowany ze skórek winogron

Domena: Eukarya Królestwo: Fungi Gromada: Ascomycota Podgromada: Saccharomycotina Klasa: Saccharomycetes Rząd: Saccharomycetales Rodzina: Saccharomycetaceae Rodzaj: Saccharomyces Gatunek: Saccharomyces cerews/ae

> Metabolizm tlenowy i beztlenowy

> Optimum temperatury - 25 - 30°C

> Optimum pH -6,5

> komórki kuliste lub owalne

> 5-10 (jm średnicy

Rozmnażanie generatywne drożdży Ascomycetes i Basidiomycetes

- Podział mejotyczny jądra komórkowego

- Pokolenie haploidalne i diploidalne (jednocześnie lub kolejno po sobie)

- Komórki hapłoidalne o różnych typach koniugacyjnych (MATa i MATa), mogą się łączyć w diploidalnązygotę

- MATa i MATα - wysoka częstotliwość koniugacji

- MATα i MATα - niska częstotliwość koniugacji

- MATa i MATa - brak zdolności do koniugacji

- Diploidałne homozygoty a/a i α/α mogą koniugować ze sobą z taką samą częstotliwością jak haploidy

Typ koniugacyjny i cykl życiowy S.

cerewsiae

Drożdże piekarnicze mogą występować zarówno

jako stabilny haploid jak i diploid. Obydwie formy

mogą się rozmnażać bezpłciowo na drodze

pączkowania po poprzedzającej je mitozie.

Haploidy są także w stanie koniugować z innymi

haploidami przeciwnego typu koniugacyjnego

(płci). MAT a może koniugować tylko z MAT α i

na odwrót. Wynikiem tego procesu jest powstanie

dipłoidu. Diploidy, zazwyczaj pod wpływem warunków stresowych, jak niedobór pożywienia,

mogą przejść podział mejotyczny, którego wynikiem będą cztery haploidalne spory: dwie

typu a i dwie α.

Cykl życia Saccharomyces cerevisiae

Reprodukcja aseksualna przez pączkowanie, haploid lyb diploid. Komórki haploidalne, dwa typy koniugacyjne : a i α.

koniugacja ax α —-» a/ α (diploid) ——

sporulacja

kiełkowanie

Cztery haploidalne spory

Haploidalne kiełkujące komórki (a, α)

ponowny cykl

Jak Zachodzi koniugacja?

• czynnik MATα

• feromon wydzielany do podłoża hodowlanego przez haploidalne komórki typu α mating

• działają na komórki przeciwnego typu MAT a poprzez wiązanie do receptora połączonego z pokrewnym G-białkiem który jest włączany do szlaku metabolicznego w formie sygnału transdukcji.

• prowadzący do inhibicji syntezy DNA type a komórek w ten sposób synchronizuje się z typem α komórek w celu umożliwienia procesu koniugacji.

Genom

Drożdże Saccharomysec cerevisiae miały pierwsze zsekwencjonowany genom (1996).

Składa się z 12 milionów par zasad (ludzki składa sie z 3 miliardów), ponad 16 chromosomów.

Geny i ich biologiczna rola

• 1995: 1000-2000. genów było scharakteryzowanych

• 2006: 5773 genów w genomie . 4299 było scharakteryzowany.

• Przypisanie indywidualnych funkcji pozostaje wyzwaniem.

Drożdże są chemoheterotrofami

• Wymagają prostego źródła węgła

• Glukoza, sacharoza, octan itd.

• Mogą wykorzystywać różne źródła azotu

• Aminokwasy, mocznik, siarczan amonu

• Wymagają witaminy biotiny, różnych soli mineralnych i mikroelementów.

Reakcje biochemiczne w drożdżach

1) glikoliza w drożdżach

Glukoza --> glokozo-6-fosforan --> fruktozo-6-fosforan --> fruktozo-1,6-bisfosforan --> pirogronian

Sumaryczna reakcja:

1 glukoza + 2NAD⁺+2ADP + 2P_i --> 2 pirogronian + 2ATP + 2NADH

2) Oddychanie i fermentacja

1pirogronian -->(cykl kw. Cytrynowego) --> 2CO₂ + 3NADH + 1FADH₂-->biomasa

1pirogronian -->(Fermentacja)--> 1 etanol + 1CO² +1ATP + 1H₂O

Metabolizm drożdży

• Saccharomyces cerevisiae wykorzystuje trzy szlaki metaboliczne podczas wzrostu na glukozie

• Fermentacja glukozy

• Utlenianie glukozy

• Utlenianie etanolu

Fermentacja glukozy

Zachodzi gdy stężenie glukozy jest wysokie i/lub dostarczanie tlenu jest limitowane

C₆H₁₂O₆ - > 2C₂H₅OH + 2CO₂ + Energi

μ_max≈0.45

Y_X/S≈ 0.15

RQ is high

Energia≈2ATP na mol glukozy

Maksymalne stężenie etanolu

• Stężenie etanolu w piwie wynosi na ogół 4 - 5%

• Stężenie etanolu w winach dochodzi 15%

• Stężenie etanolu w brzeczce fermentacyjnej w dużej mierze zależy od stężenie cukru.

• Wyższe stężenia etanolu w napojach alkoholowych uzyskuje się na drodze destylacji.

• Kilkunastoprocentowe stężenie etanolu jest st. Maksymalnym jakie można uzyskać na drodze fermentacji.

• Jest to związane z toksycznością etanolu w działaniu na komórki drożdżowce.

Utlenianie glukozy

• Zachodzi gdy stężenie glukozy jest niskie a dostarczona ilość tlenu jest wystarczająca

• C₆H₁₂O₆ + 6O₂ - > 6H₂O + 6CO₂ + Energia

μ_max≈0.25

Y_X/S≈ 0.05

RQ ≈ 1

Energia≈16-28 ATP na mol glukozy

Glukoza i etanol

• Dane z okresowej fermentacji tlenowej

• Etanol jest produkowany

• Etanol jest konsumowany

Utlenienie etanolu

• Zachodzi gdy stężenie glukozy bliskie lub zerowe oraz obecny jest tlen w środowisku

• C₂H₅OH - > 2H₂O + 2CO₂ + Energia

μ_max≈0.2

Y_X/S≈ 0.6-0.7

RQ ≈ 0,7

Energia≈6-11 ATP na mol glukozy

Glukoza i etanol

• Wiele gatunków drożdży będzie produkowało etanol w warunkach tlenowych.

• W praktyce ma to miejsce wtedy gdy

• Stężenie cukrów jest wysokie(glukoza)

• Jest szybki wzrost

• Stężenie rozpuszczonego tlenu jest niskie

• W przypadku produkcji drożdży piekarskich tego zjawiska należy unikać

Efekt Pasteura

• Szybkość glikolizy w warunkach anaerobowych (Iow O₂) jest wyższa niż w warunkach aerobowych (high O₂).

• Konsumpcja węglowodanów jest 7x wyższa w warunkach anaerobowych.

• Powodowana przez inhibicję PFK przez cytrynian i ATP

Efekt Crabtree

• Polega na tworzeniu etanolu przez drożdże Crabtree pozytywne w warunkach tlenowych, gdy stężenie glukozy jest wysokie ( np. powyżej 5%)- jest więc efektem odwrotnym do efektu Pastera

• Jest on związany z hamowaniem oddychania tlenowego w mitochondriach związanego z obecnością znacznych stężeń cukru w podłożu hodowlanym

Diauksja

Kiedy w podłożu obecne są dwa źródła węgla, komórki drożdżowe mogą wykorzystywać substraty sekwencyjnie.

Glukoza - główny cukier fermentacyjny - represja glukozowa

Wyczerpanie glukozy - komórki derepresowane- indukcja syntezy enzymów oddechowych

- oksydacyjna konsumpcja drugiego źródła węgla (Laktoza, sacharoza)

- druga faza ekspotencjalnego wzrostu zwana diauksją

Wykład 4

Drożdże piekarskie

• Szczepy z rodzaju Saccharomyces cerevisiae o duże zdolności do fermentacji cukrów i spulchniania ciasta

Drożdże piekarskie- surowce

• Melasa buraczana: sucha masa-81%,sacharoza-50.0%, azot ogółem -2,0%, związki mineralne-8,0%. substancje redukujące 1%, rafinoza do

1,5%, biotyna 20-170 mg/tonę

• Dobra melasa daje wydajność drożdży powyżej 85%, średnia 75-84%, a niskiej jakości poniżej 75%; należy więc wykonać próbę fermentacyjną

• Źródło azotu; siarczan amonu, fosforany amonu

• Biostymulatory; ekstrakt drożdżowy, biotyna, kwas siarkowy do zakwaszania melasy, kwasy tłuszczowe do gaszenia piany

• Woda odpowiadająca wodzie do picia

• Powietrze pozbawione zanieczyszczeń

Przygotowanie brzeczki melasowej

• Rozcieńczenie i klarowanie; rozcieńczanie się melasę w stosunku 1:1 zakwasza kwasem siarkowym do pH 4,6-4,8 gotuje przez 30 min. W 100C i pozostawia do sedymentacji części stałych po czym przepompowuje do kadzi fermentacyjnej

• Sterylizacja: rozcieńczoną i zakwaszoną melasę poddaje się sterylizacji błyskawicznej w temp. Od 130 do 145C przez 24-3 s.. Osad usuwa się przez wirowanie

Hodowle w brzeczkach stężonych

• Rozcieńczenie melasy; 1:5 do 1:10

• Bioreaktory z wysokosprawnym systemem napowietrzania Vogelbuscha (powietrze doprowadzanie jest do wirnika centralną rurą), Fringsa ( system samozasysający powietrze)

• System dozowania brzeczki jest automatyczny oparty o pomiar stężenia etanolu w gazach pofermentacyjnych, tak aby st. etanolu było niższe niż 0,05%

• Z uwagi na pienienie się płynu stosuje się automatyczne systemu gaszenia piany

Oddzielanie drożdży od brzeczki i odwadnianie

• Separację drożdży prowadzi się w wirówkach kilkakrotnie celem usunięcia zanieczyszczeń za pomocą wody

• Odwodnienie (prasowanie) prowadzi się na bębnowych filtrach próżniowych, w celu zwiększenia zawartości suchej masy drożdży o i-2% stosuje się dodatek soli w st.1%

• Formowanie i pakowanie drożdży; drożdże formułuje się w kostki, a do zakładów piekarskich mogą być dostarczane w postaci zawiesiny

• Podstawowym kryterium jakości drożdży jest siła pędna tj czas podnoszenia ciasta w minutach, dobra trwałość, smak i zapach

• Suszenie drożdży; drożdże do suszenia winny mieć zawartość trehalozy powyżej 15%

Suszenie drożdży prowadzi się w suszarniach tunelowych, bębnowych, fluidyzacyjnych, prowadząc suszenie w trzech stadiach, obniżając temp od 45 do 30C na końcu odwodnienia

Produkcja drożdży paszowych

• Do produkcji drożdży paszowych wykorzystuje się drożdże z rodzaju Candida, Torula, Monilia

• Drożdże te rosną na ubogich podłożach, a podczas wzrostu wykorzystują nie tylko cukry proste , ale także kwasy organiczne, alkohole, aminokwasy

• Surowce; melasy, wywar melasowy, ługi posulfitowe, węglowodory, gaz ziemny"

• Hodowle drożdży systemem okresowym i ciągłym

• Po hodowli brzeczka zawierająca 8-14 g s.m. drożdży/l, mleczko drożdżowe zagęszcza się na wirówkach , a następnie suszy na suszarkach walcowych lub w suszarniach rozpyłowych

Technologia bioetanolu z surowców skrobiowych

Technologia etanolu z trzciny

cukrowej

1) Sugarcane is first washed. chopped. and shredded by machines (revolving knives)

2) The shredded cane is repeatedly mixed with water and crushed between rollers

3) The collected juice contain sucrose and the remaining fibrous solid will be burned as fuel

4) After obtaining the sucrose the process of fermentation begins

C₆H₁₂O_{6 (aq)} --------> C₂H₅OH _(aq) + 2CO_{2 (g)}

Gorzelnictwo-surowce

• Ziemniakl-skład chemiczny: skrobia 14-19%; białko 2,0%, pentozany i inne cukry niefermentujące 1,7%, związki mineralne 1%, błonnik 0,9%

• Buraki cukrowe-skład chemiczny; sacharoza 13-20%, białko 1,2, błonnik 1,2%, związki mineralne 0,7%

• Melasa

• Surowce zawierające inulinę; topinambur, 13-17% inuliny, cykoria; 14-20% inuliny

• Owoce, jabłka, śliwki, produkty owocowe wycofane z obiegu

• Surowce zawierające skrobię; maniok, ryż, szlamu krochmalnicze

Gorzelnictwo-preparaty enzymatyczne

• Pochodzenia roślinnego; słód; a-amylaza, p-amylaza

• Pochodzenia mikrobiologicznego; termostabilna a-amylaza, (S-amylaza, amyloglukozydaza, pullulanaza

Warunki parowania surowców skrobiowych

• Załadowanie parnika ziemniakami; ogrzewanie parą wodą do temp. 145 C, ok. 0,4 MPa przez 30-40 min.

• Załadownie parnika ziarnem zbóż, dodatek wody w stosunku wagowym 1:3, ogrzewanie jak wyżej

• Zachodzące procesy; kleikowanie skrobi, częściowej jej upłynnianie, degradacja ścian komórkowych, reakcje Mailarda

Warunki zacierania

• Rozparzona masa z parnika jest chłodzona do temp. 52-56 C dodawany jest preparat enzymatyczny , w starszych technologiach mleczko otrzymane ze słodu gorzelniczego ,w nowszych technologiach alfa -amylaza,

• Po opróżnieniu parnika i dodatku enzymu zacier przetrzymuje się ok.. 0,5 godz. a następnie koryguje pH do 4,5 - 5,0 i dodaje glukoamylazy

Warunki bezciśnieniowego zacierania

l etap; dodatek termostabilnej alfa-amylazy, pH 6,0 - 6,5, temperatura do 100 C,

Zachodzące procesy kiełkowanie i upłynnianie skrobi, wstępna degradacja skrobi

II etap; dodatek glukoamylazy i ewentualnie pullulananazy, pH 4,5, temperatura 55-60 C,

Zachodzące procesy, scukrzanie skrobi i oligosacharydów

Wykład 5

Skład chemiczny jęczmienia browarniczego

Wyszczególnenie	Zawartość %
Woda Skrobia Hemiceluloza Celuloza Glukoza i fruktoza Sacharoza Kwasy tłuszczowe Związki mineralne Związki białkowe	13-18 54-64 8-12 3,5-7 0,3-0,4 1,8 2-3 2-3 9-13

Podział substancji goryczkowych

Substancje goryczkowe stanowią najbardziej wartościowe i charakterystyczne składniki chmielu. Przekazują do piwa gorzki smak, poprawiają trwałość piany, a dzięki antyseptycz-nym właściwościom, podwyższają trwałość biologiczną piwa.

Alfa-kwasy

Humulon

Kohumulon

Adhumulon

Izo-alfa-kwasy

Izohumulon

Izokohumulon

Izoadhumulon

Beta kwasy

Lupulon

Kolupulon

Adlupulon

Żywice bliżej niezidentyfikowane

Wszystkie owyższe żywice są rozpuszczalne w zimnym metanolu i eterze etylowym

Żywice miękkie - rozpuszczalne w heksanie, twarde nie.

Schemat otrzymywania granulatów chmielowych

l) doprowadzenie chmielu

2) suszenie Jo zawartości 7-9% wody

3) rozdzielacz

4) przesiewanie

5) mieszanie

6) granulowanie

7) chłodzenie

8) pakowanie

Komórka drożdżowa:

plazma

ściana komórkowa

błona komórkowa

błona po pączkowaniu

mitochondrium

wakuola

grana

ziarenka lipidów

retikulum endoplazmatyczne

jądro komórkowe

błona jądra

jąderko z DNA

Przegląd produkcji piwa od śrutowania słodu do dystrybucji piwa

Etap		Opis operacji	Cele	Czas	Temperatura st. C
Słodowanie	Zamaczanie	Zmoczyć i napowietrzyć ziarno	Przygotować ziarno do kiełkowania	48 h	15 do temp otoczenia
		Kiełkowanie	Skiełkować jęczmień	Wytworzyć enzymy, zmienić strukturę chemiczną	3-5 dni	Temp otoczenia do 22 st
		Suszenie	Suszyć powstały słód	Wyprodukować kruchy (łatwy do zmielenia) produkt	24-48 h	Temp otoczenia do 110 st
		Powstawanie bukietu smakowo- zapachowego		Stabilizować (mała wilgotność)
Śrutowanie		Zgniatać słód bez poważnego naruszenia łuski	Wydobyć enzymy i polimery pokarmowe Zostawić łuskę jako pomocniczy środek filtracyjny	1-2h	Temp otoczenia (śrutowanie na sucho)
Zacieranie i oddzielanie brzeczki		Dodać ciepłej/ gorącej wody Cyrkulacja brzeczki	Pobudzić działanie enzymów Rozpuścić i ekstrahować części stałe słodu Filtrować brzeczkę Uzyskać maksymalny ekstrakt o pożądanej zdolności fermentacyjnej w jak najkrótszym czasie	1-2h	30-72 (zależy od procesu)
Gotowanie		Gotować brzeczkę z chmielem, dodatkami niesłodowanymi warzelni (kotła) i pomocniczymi środkami technologicznymi	Chmiel ekstraktowy wytwarza nowe substancje goryczkowe Sterylizować brzeczkę Wytrącić prekursory zmętnienia (gorący osad) Pozbyć się eterycznych olejków chmielowych Zwiększyć barwę	0.5-1.5 h	100

Etapy przygotowawcze przed słodowaniem

- suszarnia kolumnowa grawitacyjna do zboża

- urządzenie do chłodzenia ziarna

- cyklon (odbiór kurzu i lekkich zanieczyszczeń)

- próżniowy filtr rękawowy

- aparat magnetyczny

- odkamieniacz

- rodzaje ślimaków ( 1. pełny, 2. wstęgowy, 3. łopatkowy)

- przenośnik pneumatyczny tłoczący

- przenośnik pneumatyczny z pulsującym przepływem sprężonego powietrza

- oddzielacz ziarna ze śluzą przyjęciową

- aspiracyjne czyszczenie wstępne

- sortownik gniazdkowy (tryjer)

- zwiększenie powierzchni sortowania przez wirnik łopatkowy

- zamaczalnia

- bęben do mycia i moczenia ziarna

- kadź zalewna systemu Topfa

- zamaczalnik ślimakowy

- zamaczalniki (kadzie zamoczkowe)

- skrzyniowa lub wieloprzedziałowa komora do kiełkowania

- system Wanderhaufena

- bęben Gallanda

- słodownie skrzyniowa Saladina

- przewracacz ślimakowy

- słodownia wieżowa (zapas wody, zamaczalnik płaskodenny, transport jęczmienia, odbiór CO2, dmuchawa sprężonego powietrza, przewód namoczonego ziarna, skrzynia z kiełkującym ziarnem, kondycjonowanie powietrza, odwracacz z za- i rozładowywaczem, szyb wyładowczy, powietrze zwrotne, powietrze zużyte, dopływ wody świeżej do zraszania słodu

Zacieranie słodu= wytwarzanie brzeczki

zbiornik słodu

śrutownik

naczynia zacierne

kadź filtracyjna

kocioł warzelny

whirpool

płytowy wymiennik ciepła

- śrutownik sześciowalcowy i pięciowalcowy

- przedzaciernik

- kadź zacierna

- czteronaczyniowa warzelnia

- kadzio - kocioł zacierny

Jednowarowy proces zacierania

Metoda zacierania z przeskokiem

Rozkład skrobi podczas zacierania (glukoza, maltoza, maltotrioza, graniczne dekstryny: fruktoza, sacharoza wcześniej wytworzona: alfa-amylaza, beta-amylaza: glukoza lub reszta glukozy, fruktoza lub reszta fruktozy)

Rozkład beta-glukanu podczas zacierania

1. nierozluźnione obszary

2. rozkład przez solubilazę beta-glukanową

3. siatkowe micele

4. rozkład przez endo- beta- glukanazy

5. frędzliste micele przetkane białkiem

6. frędzliste micele

Wykład 6

Zmiany w strukturze i zachowaniu beta- glukanu w gorącym środowisku i przy schładzaniu:

zerwanie mostków wodorowych - powstają 2 typy struktur: z siłami ścinającymi i bez tych sił

Deformacja małych cząstek w warstwie granicznej

- kadź filtracyjna

Różne wykonania sit filtracyjnych:

- dwukrotnie frezowane sito z mosiądzu

- jednorazowy frez sita

- szczelinowe sito spawane ze stali szlachetnej

- szczelinowe sito spawane z lekko pochylonymi profilowanymi drutami

- filtr zacierowy

- kocioł z bezpośrednim ogrzewaniem (kocioł z paleniskiem)

- kocioł warowy z podwójnym dnem

- wysokosprawny kocioł warzelny ogrzewany parą wodną

- podwójny parasol (typ Steinecker, Freising)

- parasol dwufazowy (typ Huppmann, Kitzingen)

- kocioł warzelny z zewnętrznym podgrzewaczem

- kocioł warzelny parowy

- mechaniczne urządzenie sprężania oparów

- kocioł warzelny z naczyniami do dozowania chmielu

- urządzenie flotacyjne

- kolba Carlsberga

- ciągłe dozowanie drożdży z napowietrzaniem młodego piwa

- fermentacja otwarta (system tradycyjny)

- fermentator z przelewem

- tank cylindryczno - stożkowy

- poziome rury chłodzące, chłodzenie amoniakiem

- zawór dwugniazdowy

Wykład 7

Technologie kwasów organicznych

Główne produkty mikrobiologii przemysłowej

• Metabolity pierwotna, są to produkty syntezy komórkowej i są zwykle wytwarzane podczas trofofazy (wzrost ekspotencjalny); są to m. i n..: aminokwasy, nukleotydy, końcowe produkty fermentacji i exoenzymy

• Metabolity wtórne: nie są bezpośrednio związane z synteza materiału komórkowego podczas normalnego wzrostu a są produkowane w idiofazie (okres po aktywnym wzroście). Typowe przykłady to: antybiotyki i mykotoksyny

• Penicillin

• Streptomycln

• Mikroorganizmy o zrównoważonym wzroście na ogół nie

akumulują produktów komórkowych w ilościach ponad potrzeby ich wzrostu ; dlatego, w przemyśle fermentacyjnym komórki są często skłaniane do produkcji nadmiernych ilości pożądanych związków

Kwasy organiczne produkowane na drodze fermentacji

Kwas cytrynowy	Nadaje smak napojom
Kwas maleinowy	Nadaje smak napojom
Kwas mlekowy	Produkt metabolizmu glukozy
Kwas winowy	Uczestniczy w fermentacji winogronu
Kwas butyrowy*	Ostry zapach
Kwas bursztynowy	Dodatek do żywności
Kwas octowy*	Składnik octu
Kwas askorbinowy	Nadaje smak napojom

* - lotne

Bakterie fermentacji mlekowej

Różnią sie przede wszystkim:

- optymalną temperaturą bytowania w środowisku

>mezofile 20-28 ^oC, produkując do 1,5% kwasu mlekowego: Lactobacillus plantarum, Leuconostoc, Bifidobacterium

>termofile 37-45 ^oC, produkują kwas mlekowy do 3%; Lactobacillus delbrueckii, Lactobacillus rhamnosus, Carnobacterium

- tolerancją na pH

Kwas mlekowy

• Forma L(+) kwasu mlekowego powstaje naturalnie w organizmie człowieka w procesie glikolizy

• W czystej bezwodnej postaci jest krystalicznym proszkiem, lecz częściej występuje w postaci wodnych roztworów o różnej czystości i stężeniu

- 80-90% czysty, bezbarwny, wykorzystywany w

farmacji

- 50-80% bezbarwny lub lekko żółty, stosowany w przemyśle spożywczym

• Nieograniczenie rozpuszcza się w wodzie, alkoholach i rozpuszczalnikach organicznych -eter dipropylowy, dietylowy

Właściwości kwasu mlekowego

- stały, ale topi się w temp. 18 ^oC

- rozpuszczając się dobrze w wodzie dysocjuje

CH₃-CH(OH)-COOH ---> CH₃-CH(OH)-COO^-+H⁺

Kwas mlekowy

• Kwas mlekowy podstawowy produkt fermentacji mlekowej, a także powstają kwas octowy, kwas mrówkowy i etanol

• Homofermentacja:

• Wiele typowych bakterii kwasu mlekowego wytwarza ponad 90% kwasu mlekowego

• Typowe gatunki Streptococcus spp., Lactobacillus casei

• Pierwszy etap w produkcji serów • Heterofermentacja:

• Konwersja glukozy do mleczanu, etanolu i CO₂

• Typowe rodzaje to Leuconostoc i niektóre Lactobacillus

Szlak metaboliczny homofermentacyjny

Glukoza

Glucose 6- phosphate

Fructose 6-phosphate

Fructoze 1,6 bisphosphate

Dihydroacetone phosphate Gliceraldehyde 3- phosphate

1,3 bisphosphoglycerate

3- phosphoglycerate

2- phosphoglycerate

Phosphoenolpyruvate

Pirogronian

NADH

mleczan NAD

1 mol glukozy --> 2 mol kwasu mlekowego

Szlak Heterofermentacyjny

Glukoza (6 węgli)

CO₂

Fosfopentoza (5 węgli)

Aldehyd 3-fosfoglicerynowy Acetyl phosphate

Kwas pirogronowy Acetaldehyd

Kwas mlekowy (3C) Etanol (2C)

1 mol glukozy --. 1 mol kwasu mlekowego, 1 mol etanolu (lub octanu) i 1 mol CO₂

Fermentacja mlekowa

• Prowadzona jest przez: Lactococci Leuconostoc Lactobacilli Streptococci Bifidobacterlum

• Rodzaje te mają zablokowane enzymy cyklu Krebsa

• Często wykorzystują laktozę jako wyjściowy cukier (cukier mlekowy)

Kwas mlekowy-surowce

• Surowce zawierające węglowodany ( sacharoza, skrobia, melasa, glukoza, serwatka, inulina)

• Surowce zawierające azot (kiełki słodowe, autolizat drożdżowy, wyciągi z fasoli)

• Materiały pomocnicze ( kreda lub tlenek wapnia, kwas siarkowy, żelazocyjanek potasu, węgiel drzewny)

Kwas mlekowy-oczyszczanie

• Usunięcie związków organicznych( białka, węglowodany) alkalizacja wodorotlenkiem wapnia do pH9-10 i ogrzewanie do temp. 80-90C - koagul. białek, komórek bakterii

• Usunięcie związków barwnych-węgiel aktywny

• Krystalizacja mleczanu wapnia z roztworu zagęszczonego do 25%

• Wydzielenie kwasu mlekowego z mleczanu wapniowego za pomocą kwasu siarkowego

Kwas mlekowy

Środek smakowy

Umiarkowany czynnik chelatujący

Regulator pH

Aktywność antymikrobiologiczna

Czynnik koagulujący

Kwas mlekowy - zastosowanie

• Przemysł owocowo-warzywny

• Przemysł piekarski

• Przemysł mleczarski

• Przemysł garbarski

• Przemysł farmaceutyczny

• Przemysł chemiczny

• Przemysł tworzyw sztucznych

Kwas pirogronowy - drobnoustroje

• Rodzaj Propionibacterium -- gramdodatnie, nieprzetrwalnikujące bakterie, beztlenowe, tolerujące niewielkie ciśnienie parcialne tlenu

• Wykorzystują glukozę, sacharozę, laktozę i pentozy jako źródło węgla

• Wytwarzają witaminę Bi₂

• Obok kwasu propionowego powstaje kwas octowy oraz dwutlenek węgla ( 2:1:1, czasami są odstępstwa)

• Zastosowanie - konserwant

Fermentacja propionowa

• Prowadzi do typowego smaku i zapachu sera i tworzenia oczek w takich serach jak ser szwajcarski

• Zwykle fermentację prowadzą Propionibacterium freudenreichii subsp. Shermanii

• Kwas mlekowy jest metabolizowany do kwasu propionowego, octowego, C0₂ H₂0.

Kwas glukonowy

• Producenci: pleśnie z rodzaju Aspergillus i Penicillium, bakterie Gluconobacter, Acetobacter-producenci oksydazy glukozowej

• Podłoże: 5-30% glukozy

• Warunki hodowli dla Aspergillus niger: temp. 30-32 C, pH 4,5-6,5, 1-2 doby, zobojętnianie węglanem wapnia, ług sodowy lub potasowy

• Produkty: oksydaza glukozy, glukonian wapnia

• Wydzielanie kwasu: ogrzewanie glukonianu wapnia do 100C, schładzanie do 20C, krystalizacja,zadawanie kwasem siarkowym, oddzielanie gipsu

• Zastosowanie: preparaty do mycia butelek, nośniki jonów wapnia i żelaza w farmacji

Delta lakton kwasu glukonowego

Powoli się rozpuszcza

Dobrze rozpuszcza się w gorącej

wodzie Hydrolizuje do kwasu glukonowego

Bezpośrednio pozwala otrzymać ser wiejski i Mozzarella

Kwas jabłkowy

• Produkcja: ekstrakcja z soku jabłkowego, m chemiczną (mieszanina racemiczna), metoda enzymatyczna, metoda mikrobiologiczna

• Fumaraza unieruchomiona w Brevibacterium flavum pozwala na uzyskanie kwasu L-jabłkowego z wydajnością 90-95% przy wydajności teoretycznej 115%

• Produkcja kwasu przez Aspergillus flavus na podłożu węglowodanowym w obecności CaCO₃, a także limitowanego źródła azotujonów żelaza i fosforanów.

. Wydajność teoretyczna kwasu jabłkowego wynosi 128%

Kwas winowy

Umiarkowany czynnik chelatujący

Pojemność buforowa pH 3.5-4.5

Składnik proszków do pieczenia

Stosowany jako dodatek do dżemów

Czynnik smakowy w cukierkach-kontroluje krystalizację

Sztuczne środki słodzące - maskuje smak gorzki

Kwas fumarowy

• Stosuje się jako dodatek do żywności i napojów, ze względu na obecność podwójnego wiązania i dwóch grup karboksylowych jest wykorzystywany do produkcji pofestrów , syntetycznych żywic i biodegradowanych polimerów

• Otrzymuje się go zarówno metodą biotechnologiczną jak i chemiczną

• Grzyby należące do Rhizopus produkują znaczne ilości kwasu fumarowego z glukozy w określonych warunkach nodowanych

Kwas fumarowy - szlak prowadzący do akumulacji

• Kwas fumarowy jest produktem pośrednim cyklu kwasów trójkarboksylowych. Ten szlak z l mol glukozy kumuluje l mol kwasu fumarowego

• W wyniku wiązania CO₂ w redukcyjnym łańcuchu cyklu kwasów trójkarboksylowych z l mola glukozy otrzymuje się 2 mole kwasu fumarowego:

C₆H₁₂0₆ H,O+ 2 CO_{2 -->} 2 HOOCCH=CHCOOH + 2H₂O

Przy limitowaniu źródła azotu, wzrost może być silnie ograniczony co pozwała teoretycznie akumulować 2 mole kwasu na 1 mol glukozy

Kwas fumarowy - skład podłoża hodowlanego

• Rhizopus ma małe wymagania pokarmowe ograniczające się do substratu i soli mineralnych

• Proces syntezy stymulują jony cynku i magnezu w st. 10-30 ppm, wymagana jest obecność fosforanów w st. 200 ppm

• Optymalne pH 5,5-6,0, czynnik zobojętniający kwas fumarowy; węglan wapniowy gdyż fumaran wapniowy słabo rozpuszcza się w wodzie (21g/litr)

• Produkcja kwasu przebiega w warunkach tlenowych

• Proces może być prowadzony zarówno z grzybnia wolną jak i unieruchomioną

Produkcja octu winnego

• Ocet winny jest produkowany przez bakterie fermentacji octowej; Gluconobacter lub Acetobacter w wyniku utleniania alkoholowych roztworów soków owocowych

• Ocet produkowany jest z czystego etanolu w wyniku utleniania jego roztorów wodnych

Acetic acid (fermentation?)

• 2CH₃CH₂OH + O₂ = 2CH₃COOH + 2H₂0

• Ethanol 92g/mol

• Acetic acid 120 g/mol

• Theoretical yield (120/96) x 100 = 130%

• Practical yield - 120%

Kwas octowy-podłoże hodowlane

• Etanol ( spirytus, wino, piwo i inne)

• Składniki niezbędnie do wzrostu bakterii (węglowodany (glukoza) sole amonowe, potasowe, fosforowe, mikroelementy, biostymulatory (ekstrakt drożdżowy))

• Woda , powietrze

• Podłoże hodowlane zawiera ok.. 10% etanolu i 1-2% kwasu octowego

Kwas octowy - metody fermentacji

• Metody powierzchniowe (orleańska, Pastera)

• Metody ociekowe (bakterie osadzone są na nośnikach porowatych (wióry bukowe) i są omywane brzeczką która kontaktuje się z powietrzem) (metoda stojakowa i generatorowa)

• Metody wgłębne prowadzone w bioreaktorach

Kwas octowy - metoda Pastera

• Kufy z drewna lub kamionki wypełnia się psteryzowaną brzeczką w temp. 60C i szczepi czystymi kulturami bakterii octowych

• Kufi mają otwory wentylacyjne zabezpieczone przez muszkami octowymi

• Temp. brzeczki nie powinna przekraczać 25C

• Moc octu winnego wynosi 8%

• Metoda powierzchniowa stosowana jest do

I produkcji octów winnych i owocowych w niewielkich wytwórniach octu we Francji i Japonii

Kwas octowy - metoda generatorowa

• Generator; zbiornik w kształcie walce o średnicy 3,4-4,4 m i wysokości 4,5-7,0 m wypełniony wiórami bukowymi

• Na wiórach unieruchomione są bakterie fermentacji octowej

• Generator wyposażony jest w pompę cyrkulacyjną dmuchawę powietrza, rozpryskiwacz i przyrządy kontrolno-pomiarowe

• Fermentację prowadzi się w sposób półciągły

• Brzeczka zawiera 10% etanolu i 1-2% kwasu octowego którą w sposób okresowy zasila się ciecz cyrkulującą w generatorze, stężenie etanolu w cieczy nie powinno przekraczać3,5-4,0%

• Końcowe stężenie kwasu octowego wynosi 10-11%

• Ważne jest odpowiednie napowietrzanie; ciecz recyrkuluje aż osiągnie pożądane stężenie kwasu octowego

• Możliwość prowadzenia procesu na wiórach w sposób ciągły wynosi -5-30 lat

Inne składniki wytwarzane w procesie mikrobiologicznym mają udział w smaku i zapachu octu

Kwas octowy- metoda wgłębna

• Produkcję prowadzi się w bioreaktorach wyposażonych w turbiny samozasysające następujących typów:acetator, cavitator, vinegator różniących się kształtem turbin, elementów wyposażenie wewnętrznego zbiorników

• Bioreaktor zasila się brzeczką w której stosunek kwasu octowego do alkoholu wynosi b:4, zaś rozpoczyna fermentację z brzeczką zawierającą 1% etanolu

• Po odfermentowania etanolu część podłoża wymienia się na świeżą brzeczkę

• Hodowla wymaga intensywnego natleniania anawet 10 s. przerwa powoduje zakłócenie w procesie

Kwas octowy - obróbka octu surowego

• Leżakowanie - co najmniej 4 tygodnie

• Filtrowanie- filtry płytowe

• Klarowanie- z użyciem bentonitu, sedymentacja, filtracja, pasteryzacja

• Rozcieńczanie- korekta do 6% lub 10%

• Rozlew

Kwas octowy (Vinegar)

Produkty

Majonezy, sosy, piekle, dressingi, ogórki konserwowe, grzyby w octcie

Funkcje

pH kontrola, smak, okres przechowywania Wpływ na smak i aromat

Fermentacja cytrynowa

• Przed rokiem 1920, kwas cytrynowy produkowany był tylko z soku cytrynowego lub limony

• Obecnie jest produkowany na drodze fermentacji z użyciem szczepów gatunku Aspergillus niger

Kwas cytrynowy - drobnoustroje, surowce

• Yarrowia lipolitica - kwas izocytrynowy

• Surowce- węglowodany (melasa buraczana lub trzcinowa, sacharoza, hydrolizat skrobi, glukoza techn.), źródło azotu ( mocznik), źródło fosforu (kwas fosforowy i jego sole),woda pitna zawierająca mikroelementy

Enzymy cyklu kwasu cytrynowego zostały znalezione w matriksie mitochondrium

Rozważania dotyczące podłoża

• Jeżeli A. niger ma możliwości namnażania się maksymalnie, tylko małe ilości kwasu cytrynowego są wytwarzane.

• Cała energia jest wykorzystywana do produkcji grzybni

• Jeżeli wzrost jest ograniczony, duże ilości kwasu są produkowane

• Ykc/ sacharoza = 0.7 -0.9 g/

• Y kc/sacharoza = 1.23 g/g

• Brak wzrostu grzybni, CO₂ nie jest produkowany

• W uzupełnieniu do węglowodanów , A. niger wymaga azotu, fosforanów, potasu, magnezu, i siarczanów

• By akumulować KC, wzrost jest ograniczony przez limitowanie dodatku azotu , fosforanów lub większości znanych metali śladowych które regulują cykl TCA by w sposób nadmiarowy wytwarzać KC

Kwas cytrynowy-fazy produkcji

• Kiełkowanie spór poprzedzające fazę ekspotencjalną

• Okres wzrostu powodujący wyczerpywanie się źródeł azotu, i fosforu

• Faza produkcji kwasu cytrynowego

• Faza akumulacji kwasu cytrynowego

• Faza zahamowania

Kwas cytrynowy — czynniki wpływające na produkcję

• Morfologia grzybni; stan morfologiczny zależy od stężenia jonów Mn⁺², korzystnie jest gdy grzybnia tworzy małe pellets mniejsze niż 0,5 mm, na co wpływają takie parametry hodowli jak, pH, natlenianie, mieszanie, st. Mn⁺², Fe⁺², ilość wprowadzonych spór

Kwas cytrynowy - czynniki wpływające na produkcję

• Źródło azotu; ograniczone st. źródła azotu jest wymagane w produkcji kwasu cytrynowego; 1-4 g/l

• Fosforany; optymalne st.1-4 g/l i nie mają tak istotnego wpływu jak inne składniki

• Ph: najlepszą wydajność uzyskuje się przy pH poniżej 2,0 , przy wyższych pH tworzy się kwas glukonowy, optymalne pH -2,0-3,0. W tym pH grzybnia się nie namnaża

Wykład 8

Zimna fermentacja i dojrzewanie

Diketony młodego piwa:

Dwuacetyl H₃C - C(=O) - C(=O) - CH₃

2,3- pentanodion H₃C - C(=O) - C(=O) - C₂H₅

Ciepła fermentacja - zimne dojrzewanie

Fermentacja ciśnieniowa

Zimna fermentacja - ciepłe dojrzewanie

Immobilizacja

Porównanie typów reaktorów do prowadzenia procesów przy użyciu drobnoustrojów immobilizowanych:

- Fixed Bed Reactor

- Fixed - Bed Loop Reactor

- Fluidized Bed Reactor

Filtrowanie i techniki stabilizacji piwa, wina i miodów pitnych

- filtracja z filtrem świecowym

- filtracja przez warstwę ziemi okrzemkowej

Mechanizmy filtracji:

- filtracja powierzchniowa

- filtracja wgłębna (cząstki zawiesiny zatrzymywane są mechanicznie)

- połączona z adsorpcją cząstek

Namulanie ziemi okrzemkowej:

nałożenie pierwszej warstwy podstawowej

nałożenie drugiej warstwy podstawowej

Źródła błędów podczas dozowania

- normalny przebieg ciśnienia

- za małe dozowanie

- zablokowanie i uderzenie drożdży

- za wysokie dozowanie

Świece filtracyjne

Rodzaje membran:

- z udziałem estrów celulozy

- z difluorku poliwinylu

- polisulfonowa

• ziemie okrzemkowe różnią się miedzy sobą barwa, strukturą, wielkością cząsteczek przepuszczalnością i składem chemicznym

• wykazują bardzo zróżnicowane zdolności klarujące

• ciężar jednego decymetra ziemi okrzemkowej może wynosić 145-480 g

• sedymentacja po l mm. waha się od 1,6 do 36,6%

• przepustowość ziemi okrzemkowej w procesie filtracji wynosi od 50 do 2000 l/mm/lm², co jest uzależnione od jej budowy strukturalnej.

Perlity

• są pochodzenia wulkanicznego i zawierają głównie krzemian glinu

• mają strukturę gąbczastą, znacznie niższą gęstość niż ziemie okrzemkowej i są bardziej przyczepne do podłoża.

• formują warstwę filtracyjną o dobrej strukturze nawet na elementach filtracyjnych o układzie pionowym

• większa objętość perlitów na jednostkę wagową pozwala na znaczną ich oszczędność (średnio o 30%) w stosunku do warstwy filtracyjnej z ziem okrzemkowych.

• w środowisku kwaśnym wydzielają wapń i żelazo i z tych względów są one obecnie w niewielkim stopniu używane do filtracji wina.

Obróbka technologiczna win bentonitami

• jest skuteczna, prosta i tania metoda technologiczna, zapewniająca winom pełna stabilność białkowa.

• własności absorpcyjne bentonitu są powodowane obecnością w nim koloidalnego hydratu krzemianu glinowego o wzorze AI₂O₃ X 5SiO₂ • nH₂O, który ma silną zdolność pęcznienia wewnątrzkrystalicznego i powoduje gąbczastą strukturę bentonitu. Mikroskopijne cząsteczki bentonitu (0,01—0,0001 um) mają duże powierzchnie, sprzyjające przenikaniu i zatrzymywaniu koloidalnych składników wina. Badania wykazały, że 1 g bentonitu w wodzie ma powierzchnię ok. 5 m².

• można stoso_wać dodawanie bentonitów do moszczu przed jego fermentacja (75—150 g/hl).

• wina wyprodukowane z moszczów poddawanych obróbce bentonitami są odporniejsze na zmętnienie białkowe.

Efekty stosowania bentonitów:

• szybsza sedymentacja substancji będących w zawiesinie,

• znaczna adsorpcja substancji białkowych, w wyniku skutecznego wymieszania bentonitu z moszczem podczas procesu fermentacji,

• zbliżone wartości pH moszczu i punktu izoelektrycznego białek (im bliższe są te wartości, tym szybciej i skuteczniej następuje wytrącenie się termolabilnych białek); w winie, wytrącanie białek jest trudniejsze,

• adsorpcja polifenolooksydaz prowadzi do zmniejszenia zmętnień brunatnych

Aby osiągnąć pożądany efekt oziębieni_{oHo olo} należy przestrzegać następujących zasad:

• pozbawienie wina CO , i wszelkich przejawów życia drobnoustrojów

• wyeliminowanie dostępu powietrza we wszystkich operacjach technologicznych

• poddanie wina przed schładzaniem odpowiedniej obróbce technologicznej, w celu otrzymania odpowiedniej klarowności.

Obróbka technologiczna sprowadza się zwykle do:

• skupażowania i ujednolicenia całej partii wina,

• klarowania wina środkami klarującymi (usuwającymi substancje białkowe i związki żelaza),

• filtracji

• pasteryzacji win, w przypadku zastosowania tego zabiegu przed procesem schładzania (wg założonego programu technologicznego).

Uzyskanie maksymalnego efektu schładzania

zależy od:

• temperatury schładzania -wino powinno być doprowadzone do temperatury bliskie] punktowi zamarzania

• szybkości schładzaniamieszania w trakcie schładzania

• przetrzymywania oziębionego wina w zbiornikach izotermicznych

Czas przetrzymywania win w zbiornikach

izotermicznych

• jest on różny, uzależniony głównie od wytrącania kamienia winnego i od wydzielania się substancji koloidalnych.

• w tym zakresie istnieją wśród uczonych rozbieżności. Wypływa to niewątpliwie z różnorodnego charakteru wina. jego składu chemicznego, różnych typów instalacji chłodniczych, a także z niejednakowych kryteriów stabilizacji win.

• niektórzy autorzy podają okres przechowywania win 2-3 dni natomiast inni sugerują nawet 15-dniowy okres przetrzymywania w zbiornikach izotermicznych.

• koloidalna frakcja barwników wytrąca się już po 2-3 dniach

Agregat rozlewniczy

Napełnianie butelek z zastosowaniem długiej rurki

Etykietowanie butelek

Foliowanie butelek

Wytłaczanie gwintu na zakrętce aluminiowej

Wytwarzanie puszek do piwa

Produkcja pokrywek do puszek

Wykład 9

„Wino jest substancją żywą, która rodzi się, żyje i umiera; nie jest inertne, bez serca i duszy” (Got Norbert)

Owocem winorośli są jagody zwisające w postaci gron na krzewie winnym. Szypułki stanowią 3-7%, a jagody 93-97% wagi grona. Jagoda składa się ze skórki, miąższu i z nasion.

Z ogólnego zbioru winogron

• około 90% zostaje przerobione na wino

• 47 na wmiaki

• 3% spo/ywane jest w stanie swie/ym

• reszto zbioru przeznacza sio: do suszenia na rodzynki, do produkcji bezalkoholowego soku, kompotów, konfitur, marynat i octu winnego.

Rodzaje i podział win gronowych i owocowych

• wina owocowe (9-18% alk.)-fermentacja owoców ziarnkowych, pestkowych i jagodowych lub ich soków, z dodatkiem sacharozy,

• wina aromatyzowane gronowe lub owocowe, (12-18% alk), z dodatkiem spirytusu, ziół, przypraw i korzeni

• napoje wmopochodne, zawierające nie mniej niż 50% wina lub miodów pitnych oraz 4,5-15,0% alk.)

• napoje wmopodobne, (9,5-15^:/_: alk.), różniące się od win i miodów pitnych mniejszym udziałem soków owocowych lub naturalnego miodu w nastawach poddanych fermentacji.

W zależności od barwy su rozróżniane wina:

• b i a l e, do których są zaliczane wina bezbarwne z odcieniem zielonkawym i jasnosłomkowym do

ciemnozłocistego_; a przy winie deserowym do ciemnobursztynowego

• czerwone -od czerwonego i rubinowego do ciemnoczerwonego, a przy winie deserowym z odcieniem brązowym

• różowe - różowe do jasnoczerwonego.

Zawartość kwasów organicznych w przeliczeniu na kwas jabłkowy.

- w winach wytrawnych i półwytrawnych 0,4 - 0,6 g/dm³

- w winach półsłodkich 0,4-0,7 g/dm³

- w winach słodkich i bardzo słodkich 0,5 - 0,9 g/dm³

Wina dzieli sic w zale/nosci od ilości cukru na:

• wytrawne - zawartość cukrów 0-10 g/drrv

• pólwytrawne - 10-40 g/dm³,

• pólslodkie- 40-80 g/dm³,

• słodkie- 80-120 g/dm³,

• bardzo słodkie- 120-200 g/dm³,

• l i k i e r o w e - 200-350 g/dm³

W zależności od zawartości alkoholu rozróżnia się wina:

- słabe (lekkie) zawierające do 10% obj. alkoholu

- średnio mocne od 10 do 14% obj. alkoholu

- mocne od 14 do 18% obj. alkoholu

wzmacniane (alkoholizowane) - powyżej 18% obj. alkoholu

zawartość cukru w moszczu winogronowym

• przeciętnie 20%

• wahania wynoszą 16-25%

• w przypadku winogron podwiędnietych lub przesuszonych na krzaku w korzystnych warunkach klimatycznych 35%

Kwasy organiczne:

- głównie winowy, jabłkowy i cytrynowy

- kwas winowy stanowi około 40% kwasowości

- ogólna kwasowość moszczu winogronowego wynosi 6-15

- kwasy nadają winu właściwy, przyjemny smak winny

Substancje garbnikowe:

- związki o złożonej budowie i charakterze słabych kwasów

- nadają ściągający, cierpki smak, wyczuwalny w owocach niedojrzałych oraz w nasionach, szypułkach i skórce

- w miarę dojrzewania owoców zawartość substancji garbnikowych maleje. Winogrona czerwone obok barwników zawierają w skórce znaczne ilości garbników.

Związki azotowe

• występują w moszczu głównie jako ciała białkowe

• stanowią one pożywkę dla drożdży w czasie fermentacji.

barwniki roślinne

• karoteny

• antocyjany

• chlorofile

rozpuszczalne związki mineralne

• sole: potasowe, sodowe, wapniowe, magnezowe i żelazowe

• kwasy: fosforowy, siarkawy, krzemowy, azotowy i węglowy

Związki wina wpływające na smak wina:

- słodki: glukoza, fruktoza oraz: sacharoza, galaktoza, ryboza ksyloza, mannoza, etanol, glicerol, niektóre aminokwasy

- kwaśny- kwasy: winowy, mlekowy, jabłkowy, bursztynowy, fumarowy, cytrynowy

- gorzki: katechina, epikatechina, procyjanidyny (p.d.>4), tyrozol flawonole, niektóre dwupeptydy

- cierpki: procyjanidyny (p.d.>4)

Otrzymywanie moszczu:

- mycie

- rozdrabnianie owoców (mielenie)

- oddzielanie soku (tłoczenie)

Oddzielanie soku

• prasowanie miazgi w prasach różnego typu

• przy tłoczeniu należy unikać zbyt wielkiego cenienia, które zwiększa wydajność moszczu, ale wpływa ujemnie na jakowe soku

• średnia wydajność moszczu z różnych owoców jest następująca (ze 100 kilogramów): winogrona 65-85 litrów, jabłka 65-80 litrów, wianie 65-75 litrów, porzeczki 70-85 litrów, jagody czarne 80-90 litrów

Przygotowanie moszczu do

fermentacji

• doprawianie moszczu ma na celu przystosowanie zawartości cukru i kwasowości do potrzeb technologicznych.

• przy obliczaniu potrzebnej ilości cukru przyjmuje sio, że ze 1OO g sacharozy powstaje ok. 47 gramów alkoholu. 47 gramów alkoholu równa sio 60 mL jego objętości, czyli że z 1% cukru w moszczu powstaje objętościowo mniej więcej 0,6% alkoholu

• dodatek cukru w celu dosłodzenia wina stosuje sio po zakończeniu fermentacji.

Najodpowiedniejsza kwasowość moszczu

• na początku fermentacji wynosi 6 do 8g/L, a przy wyrobie win słodkich 1Og/L (kwas jabłkowy).

• tylko jabłka w naszych warunkach wykazują odpowiednia kwasowość.

• podniesienie kwasowości osiąga sic przez dodatek kwasu cytrynowego

• dokwaszenie moszczu może nastąpić również przez zmieszanie go z moszczem o dużej kwasowości

Do metod zmniejszających zawartość kwasów zaliczamy:

• dodatek węglanu wapnia

• odwróconą osmozę

• wymianę jonową

• dodatek wody

Fermentacja

• wprowadzenie czystej kultury drożdży winiarskich

• dodatek pożywki dla drożdży w postaci soli mineralnych zawierających N i P (np. Na₂HPO₄ 0,1- 0,3g/L)

• po wyczerpaniu się cukru w fermentującym napoju lub wskutek powstania wysokiego stężenia alkoholu (16-17% obj.) fermentacja ustaje, a na dnie zbiornika osadzają sio drożdże razem ze straconymi składnikami moszczu (błonnik, białko, kwaśny winian potasu - przy winach gronowych)

• po 2 do 3 tygodniach od czasu zaszczepienia moszczu młode wina należy zebrać znad osadu drożdżowego i poddać procesowi dojrzewania.

Wykład 10

Podział drożdży:

• drożdże wysokiego odfermentowania (18-20% obj. alkoholu);

• drożdże zdolne przeprowadzić fermentacją w winach, zawierających 4-12% obj. alkoholu, stosowane do wzbudzenia fermentacji w moszczach już

prze fermentowanych;

• drożdże szampańskie, wzbudzające fermentację w dosłodzonych winach, zawierających znaczną zawarto alkoholu, pod rosnącym ciśnieniem CO₂ i opadające w postaci osadu, stosowane w produkcji win musujących;

• drożdże „sulfitowe" znoszące wysokie stężenie dwutlenku siarki w fermentowanym nastawie;

• drożdże działające przy wysokich stężeniach cukru (osmofilne), stosowane szczególnie przy fermentacji wysokoprocentowych brzeczek miodowych;

• drożdże zimne (kriofilne), pozwalające odfermentować nastawy winiarskie w temp. 5+-10 C.

Warunki właściwego przebiegu fermentacji

• dostateczny dopływ tlenu,

• właściwa temperatura,

• właściwy skład chemiczny moszczu,

• dostateczna ilość pożywki,

• stężenie cukru powyżej 25% osłabia już przebieg fermentacji. Z tych względów przy produkcji win mocnych i słodkich cukier dodaje w dwóch lub trzech porcjach, gdyż dodanie całej dawki cukru mogłoby zupełnie zahamować

temperatura fermentacji

• drożdży normalnych ras winniarskich wynosi 22-24°C

• na początku fermentacji powinna wynosić 15°C

• w czasie trwania fermentacji nie powinna przekraczać 28°C

• prawidłowy przebieg fermentacji w dużym stopniu zależy od początkowego stężenia cukru, gdyż wysoka zawartość cukru hamuje jej przebieg.

Leżakowanie wina

• beczki dębowe

• najodpowiedniejszą temperaturą dla win białych jest 8-12 C, dla czerwonych 12-16 C

• okres leżakowania waha się od kilku miesięcy do kilku, a nawet kilkunastu lat, w zależności od typu wina

• dojrzewanie wina najlepiej przebiega w beczkach dębowych o pojemności sześćset do tysiąca litrów. Wina niższego gatunku leżakują w beczkach większych, zwanych kufami, o pojemności do dziesięciu tysięcy litrów

• przy leżakowaniu wina w beczkach dębowych następuje łagodne napowietrzanie się wina, co jest niezbędnym warunkiem prawidłowego dojrzewania.

Zjawiska obserwowane w dojrzewającym winie

• może trwać czynność bakterii powodujących odkwaszanie - rozkład kwasu jabłkowego na kwas mlekowy i dwutlenek węgla (CO,}

• redukcja kwasowości w winach gronowych-strącanie Sic kwaśnego winianu potasu, tzw. kamienia winnego i substancji garbnikowych.

• tworzenie się cech zapachowych, tzw. bukietu wina,

• czysto chemiczny charakter mają procesy utleniania

i estryfikacji.

Powody opóźniania się lub niewystępowania objawów fermentacji mogą być różne,

np.:

• za niska temperatura pomieszczenia fermentowni,

• niedostateczna ilość pożywki azotowej

• za wysokie stężenie cukru w moszczu

• za mała ilość drożdży

OGRZEWANIE WIN - cele pasteryzacji:

• niszczenie drobnoustrojów

• dezaktywacja enzymów

• podniesienie trwałości biologicznej wina

Filtrowanie i techniki stabilizacji piwa, wina i miodów pitnych

Przyczyny wad klarowności butelkowanych win:

- zbyt niskie lub zbyt wysokie temperatury przechowywania

- bezpośrednie działanie promieni słonecznych, np. Naświetlanie wina w stosunkowo wysokiej temperaturze

- nadmierne natlenienie (procesy oksydo- redukcyjne)

Do zabiegów fizycznych stabilizowania win i miodów pitnych należą:

• mieszanie

• wirowanie i filtracja

• oziębianie i ogrzewanie

Czynniki wpływające na szybkość dojrzewania wyrobów alkoholowych

• obniżona i podwyższona temperatura

• tlen, ozon i inne utleniacze chemiczne

• prąd elektryczny

• stosowaniu ultradźwięków

• promienie UV

• promienie jonizujące

• katalizatory organiczne i nieorganiczne

Wino Madera- szczepy winogron i powstające z

nich wino

• Sereial- gatunki wytrawne o jasnozłocistej barwie

• Verdeiho- słodsze o miękkim i zaokrąglonym smaku

• Boal- słodkie, jasnobrązowe o pełnym smaku i zharmonizowanym bukiecie

Technologia Maderyzacji Wina

- tradycyjna jest możliwa jedynie w krajach południowych

- w Polsce maderyzuje się wina owocowe w ogrzewanych zbiornikach w ciągu trzech do sześciu miesięcy

Maderyzacja charakteryzuje się szeregiem zalet, do których należy zaliczyć:

• niewprowadzanie obcej substancji do dojrzewającego wina,

• prostotę urządzeń służących do przeprowadzenia tego procesu,

• znaczny wzrost szybkości reakcji chemicznych już przy stosunkowo niewielkim podwyższeniu temperatury

Czynniki wpływające na efekty maderyzacji

Główną rolę w procesie maderyzacji odgrywają:

• dostęp tlenu

• temperatura i czas trwania procesu

• ilość związków azotowych

• zawartość garbników

Konieczna ilość związków azotowych w winach przeznaczonych do maderyzacji

• jest 200-400 mg/L związków azotowych w przeliczeniu na N ogólny

• 100-150 mg/L azotu aminowego

• jeśli wino zawiera za mało związków azotu, pozostawia się je nad osadem drożdżowym przed maderyzacją lub dodaje 1,5-3% osadu drożdżowego

Optymalne Zawartości Garbników

• 0,5-0,8 g/L w winie przeznaczonym do maderyzacji

• dawka tlenu przy zaw. garbników 0,4 mg/L wynosi 225 mg/L wina poddanego maderyzacji

• na każde 1OOmg garbników potrzeba 25 mg tlenu

Maderyzacja win i czynniki wpływające na jej

efekty

• podstawową rolę podczas maderyzacji odgrywają procesy utleniające

• zmiany te prowadź^ do

obniżenia ilości alkoholu etylowego i nielotnych kwasów organicznych

- podwyższenia zawartości aldehydów, acetali, furfurali, estrów i kwasów lotnych

-obniżenia zawartości garbników

• główne reakcje to reakcje tworzenia związków o właściwościach aromatów i reakcje nieenzymatycznego brązowienia

Reakcje Nieenzymatycznego Brązowienia

• prowadzą do powstania ciemno zabarwionych melanoidyn

• pojawia się barwa bursztynowa

• są. to typowe reakcje Maillarda

aminokwasy

• są przekształcane w aldehydy na drodze oksydatywnej dezaminacji aminokwasów zachodzące w obecności jonów Fe²⁺ Cu²⁺lub Mn²⁺

• w reakcjach uczestniczy

- tlen

- para- lub ortochinony powstające z utleniania polifenoli i garbników

Substraty do syntezy związków aromatycznych:

• aminokwasy

• alkohole,

• garbniki

• kwasy organiczne

• tlen

cukry

• mogą być źródłem aldehydów

• ulegająodwodnieniu tworząc

- Furfural

- 5-oksymetylofurfural

- hydroksymetylofurfural

• powstaje głównie furfural i aldehyd octowy

• w niewielkich ilościach:

- aldehyd propionowy

- izomasłowy

- izowalerianowy

Aldehydy W Dalszej Kolejności Mogą:

• tworzyć acetale

• wchodzić w kompleksy z garbnikami

• utleniać się do odpowiednich kwasów

Estry Tworzą się w wyniku reakcji

• kwasów z alkoholami

• między aldehydami

Alkohole wyższe i kwasy

• istotny jest alkohol izoamylowy

• w czasie maderyzacji zmniejsza się zawartość izobutanolu i izopentanolu

• zwiększa się stężenie kwasu mrówkowego

Dla prawidłowego przebiegu procesu maderyzacji

• konieczne jest zapewnienie w materiale wyjściowym 200-400 mg% związków azotowych w przeliczeniu na azot ogólny

• odpowiada to 100-150 mg% w przeliczeniu na azot aminowy

• dla winogron ubogich w związki azotowe -przeprowadzać fermentację w miazdze

• jeśli wino po zakończeniu fermentacji zawiera zbyt małą ilość związków azotowych, wówczas pozostawia się je na osadzie drożdżowym

• jeśli pomimo tego ilość związków azotowych jest niewystar-czająca, to do wina przed procesem maderyzacji dodaje się 1,5-3% osadu drożdżowego, zawierającego około 60% wina i ...

Działanie środków oksydacyjnych

• doprowadzenie do wyrobów alkoholowych powietrza i tlenu

• przewożenie napojów alkoholowych w beczkach statkami lub pociągami

• przepuszczanie przez wino powietrza schłodzonego do około 8°C, dokładnie przemytego w płuczce i przepuszczonego przez ozonizator z wykładzina grafitowa.

Rola tlenu:

- specyficzne cechy win typu madera powstają dzięki wysokiemu potencjałowi oksydoredukcyjnemu (300-500 mV)

- szybkość tych procesów związana jest z ilością dostarczonego tlenu

W przypadku prowadzenia procesu

• w dębowych beczkach tlen w sposób niekontrolowany przenika przez pory klepki pokrywając zapotrzebowanie wina

• obecnie większość metod wykorzystuje naczynia hermetyczne, przy czym tlen doprowadzany jest do zbiorników za pomocą specjalnych urządzeń

• na intensywność pochłaniania tlenu przez wino wpływa m.in.

- zawartość garbników,

- S0₂

- niektórych kwasów organicznych

- metali ciężkich.

jeżeli badane wino pozbawi się garbników, kwasów dwukarboksylowych i metali ciężkich

następuje całkowita utrata zdolności wchłaniania tlenu

usunięcie tylko garbników powoduje 70% spadek zdolności wchłaniania tlenu

usunięcie metali ciężkich - 10%.

występujące w winie kwasy organiczne winowy, jabłkowy i

mlekowy :

• powodują czynną kwasowość w granicach pH od 2,9 do 3,5 EFEKT:

• uwolnione w wyniku elektrolizy Fe²⁺ ze zbrojenia zbiorników są przenoszone przez elektrolit w kierunku miedzi

• Fe²⁺ wchodzą w reakcje z substancjami garbnikowymi tworząc garbniczany żelaza (tzw. przełom żelazowy) wywołujące zmętnienie wina

• zawartość żelaza w winie, w wyniku elektrolizy, może dojść w skrajnych przypadkach do 30 mg

na 1L

Podwyższona temperatura:

- w krajach południowych jest od dawna stosowanym sposobem nadawania winom swoistych cech smakowo-zapachowych.

- wpływ podwyższonych temperatur na wino jest złożony i powoduje

- pasteryzację

- przyczynia się do stabilizacji wina

- przyśpiesza dojrzewanie

- powoduje powstawanie cech specyficznych, właściwych dla win typu Madery, Porto i Cahors

Do ogrzewania można stosować promienie γ Co⁶⁰

Maderyzacja słoneczna

• na Maderze wino w beczkach drewnianych, kamiennych albo w oszklonych komorach zwanych „estufas", poddaje siy nagrzewaniu przez sionce w temperaturze 35°C-45°C

Wprowadzono pojęcie „aktywnych temperatur”

Suma aktywnych temperatur to suma średnich dobowych temperatur wina, zebranych w ciągu całego okresu maderyzacji. Suma ta w zależności od metody maderyzacji powinna wynosić 2500- 2940 ^oC, przy czym im niższa temperatura maderyzacji, tym wyższa powinna być suma aktywnych temperatur.

Maderyzacja komorowa

• zbiorniki drewniane, kamionki, tanki metalowe

• beczki dobowe maja pojemność 2-6 hL

• kufy maja pojemność 20-150 hL

• podstawowa wada metody komorowej jest jej energochłonne^, spowodowana z jednej strony wysokim poborem energii, a z drugiej jej stratami wynikającymi z trudności w dokładnej izolacji

komór.

Urządzenie do rozpylania tlenu w winie

l - trójnik, 2 - przewód doprowadzający wino, 3 - tytanowy rozpylacz tlenu, 4 - przewód doprowadzający wino, 5 -przewód z otworami do rozdzielania strugi wina, 6- przewód do odprowadzania wina, 7 - kołnierz

Urządzenie do dojrzewania napojów alkoholowych:

l - zbiornik hermetyczny, 2 - zbiornik-kompensator, 3 - przewód

przelewowy, 4 - zawory, 5 - przewód odprowadzający, 6 - butla tlenowa,

7 - zawory gazowe, 8 - manometr, 9 - przewód do odbioru porcji napoju,

10 - U-rurka, 11 - półka stożkowa do rozpylania napoju, 12 - zawór

zbiornika do odbierania napoju, 13 - płaszcz zbiornika, 14 - łapacz

oparów alkoholowych, 15 - ogranicznik poziomu przelewu, 16 - siatka do

dyspergowania tlenu, 17 - kołpak odrzutnika oleju, 18 - U-rurka

Wykład 11 BRAK

Wykład 12

- Produkty fermentowane bakteriami jelitowymi mają inny smak niż napoje tradycyjne, są łagodnie kwaśne i zazwyczaj o niezdecydowanym aromacie. Takie cechy organoleptyczne mogą być nieakceptowane przez konsumentów, dlatego też często koryguje się smak poprzez dodatek ziół, aromatów, dosładzanie, jak również zwiększając zawartość suchej masy mleka. W najnowszych produktach fermentowanych proponuje się dodatek odpowiednich, tzw. prebiotycznych sacharydów, np. laktulozy, fruktooligosacharydow czy galaktooligosacharydów, selektywnie stymulujących rozwój bifidobakterii w przewodzie pokarmowym.

Enzymy, właściwości i zastosowanie w przemyśle spożywczym

Definicja

- Enzymy to białka lub glikoproteiny produkowane przez żywe organizm, wykazujące właściwości katalityczne

- Enzymy jako katalizatory wykazują dużą efektywność katalityczną i specyficzność w katalizowaniu reakcji chemicznych

Struktura enzymu

- Zawiera cześć białkową i niebiałkową.

- Część niebiałkową to są zwykle koenzymy lub kofaktory albo węglowodany.

Czynniki wpływające na aktywność enzymów

• Temperatura

• pH

• Kofaktory:

nieorganiczne, niebiałkowe czynniki wspomagające np: cynk. miedź, żelazo

• Koenzymy : organiczne czynniki wspomagające np. Witaminy

Zalety stosowania enzymów:

• Możliwość prowadzenia reakcji niemożliwych metodami chemiczny

• Specyficzność reakcji obejmująca specyficzność substratową, specyficzność położenia, stereospecyficzność

• Możliwość prowadzenia reakcji w łagodnych warunkach, temperatura, pH, sterylność etc.

• Redukcja liczy etapów w procesie technologicznym

• Eliminowanie użycia związków organicznych w procesie

• Immobilizacja enzymów co pozwala na ich wielokrotne użycie

• Użycie enzymów w połączeniu z procesami chemicznymi

• Wykorzystanie inżynierii genetycznej do modyfikacji enzymów

Produkcja enzymów

Roczna sprzedaż: $ 1.6 miliarda

Przetwarzanie żywności i skrobi: 45%

Detergenty: 34%

Tekstylia: 11%

Skóra : 3%

Przemysł celulozowo-papierniczy.1,2%

Klasa enzymu	Katalizowana reakcja
Oksydoreduktazy	Reakcje utleniania i redukcji
Transferazy	Przeniesienie grupy funkcyjnej
Hydrolazy	Reakcje hydrolizy
Liazy	Eliminacja grupy (tworzenie wiązań podwójnych)
Izomerazy	Reakcje izomeryzacji
Ligazy	Tworzenie wiązania połączone z rozczepieniem trójfosforanu

Enzymy pochodzenia zwierzęcego

Rodzaj enzymu	Źródło
Alfa- amylaza	Trzustka
Katalaza	Wątroba
Chymotrypsyna	Trzustka

Enzymy pochodzenia roślinnego

Typ enzymu	Źródło
Proteazy (bromelaina, pankreatyna)	Papaja, ananas
Amylazy	Jęczmień, ryż
Peroksydaza	chrzan

Etapy w produkcji enzymu

• Selekcja enzymu

• Selekcja producenta enzymu

• Konstrukcja szczepu nadproducenta metoda inżynierii genetycznej

• Optymalizacja podłoża hodowlanego i warunków hodowli

• Optymalizacja procesu odzysku enzymu

• Tworzenie stabilnego enzymatycznie produktu

Kryteria selekcji enzymu o cechach przemysłowych

- specyficzność

- szybkość reakcji

- stabilność i optimum pH i temperatury

- wpływ inhibitorów i powinowactwo do substratu

Selekcja szczepu do produkcji enzymu

• Enzym winien być wydzielany do podłoża

• Powinien mieć statut GRAS jeżeli enzym jest stosowany w produkcji żywności

• Powinien produkować duże ilości enzymu w stosunkowo niedługim czasie, ponad 50 g/l zewnątrzkomórkowych białek enzymatycznych

• Większość enzymów produkowana jest przez niewielką grupę gospodarzy takich jak: grzyby Aspergillus. Trichoderma. czy bakterie z rodzaju Bacillus

Dlaczego modyfikacja genetyczna	Procedura modyfikacji genetycznej	Przykłady
Gdy badany enzym jest zidentyfikowany może być produkowany w dużej skali stosując metody modyfikacji genetycznej	Modyfikacja polega na zwiększeniu liczby kopii genu i produkcji z większą wydajnością Homologiczny transfer genu	Tak można produkować ksylanazy, celulazy i inne enzymy
Gdy enzym jest zidentyfikowany a organizm nie jest odpowiedni do produkcji tego enzymu. Np. Organizm nie jest zaliczany do bezpiecznych lub jest pochodzenia roślinnego lub zwierzęcago	W tym przypadku enzym jest produkowany przez innego gospodarza Heterologiczny transfer genu	Chymozyna która koaguluje białka mleka a jest produkowana w żołądkach cieląt
Enzym po części spełnia określone funkcje, lecz jest zbyt mało stabilny w podwyższeniu temp. w środowisku o wysokim lub niskim pH	Wymagana wyższa specyficzność co można uzyskać poprzez tzw. Inżynierię białkową	Konwersja skrobi to słodkości odpowiadającej słodkości miodu

ENZYMY AMYLOLITYCZNE- PODZIAŁ

• Endoamylazy

• Egzoamylazy

• alfa-1,alfa-amylazy

• Glukanotransferazy

Endoamylazy

- Rozrywają wiązania alfa-1,4- glukozydowe w amylozie, amylopektynie i pochodnych polisacharydach, lecz nie rozrywają wiązań alfa-1,6- w amylopektynie

- Produkty hydrolizy to oligosacharydy o różnej długości łańcucha

- Wyróżnia się endoamylazy termostabilne i termolabilne

Endoamylazy termostabilne

• Komercyjne znaczenie mają amylaza pochodząca ze szczepu Bacillus subtilis ( wariant amyloliquefaciens) oraz B. licheniformis

• B. subtilis- amylaza wymagająca obecności jonów wapnia (150 ppm), temp.optymalna 65-70C

• B. licheniformis- amylaza aktywna w temp. powyżej 90C, względnie niezależna od jonów wapnia ( 5 ppm), pH 6-6,5. produkty hydrolizy : głównie G5 i większe w pierwszej fazie ale G4, G3, G2, G1 w fazie końcowej

Endoamylazy termolabilne

- Amylazy grzybowe - głównie pochodzące z Aspergillus niger

- Optymalna temperatura 50-60 st C, optymalna pH 4,5

- Produkty hydrolizy- głównie maltoza i maltotrioza

Egzoamylazy

• Egzoamylazy działają na substrat od nieredukującego końca i produkują związki niskicząsteczkowe

• Glukoamylaza ( amyloglukozydaza) ( EC 3.2.1.3)jest pochodzenia grzybowego - A. Niger

• Rozrywa wiązania @-1,4 i 1,6- glikozydowe, optymalne pH 4.0-5,0, optymalna temp. 60C, produkt hydrolizy- glukoza, przy wysokich stężenia glukozy tworzą się oligosacharydy

• fi-arnylaza - zarówno pochodzenia roślinnego jak i bakteryjnego( Bacillus sp. Pseudomonas sp.) uwalnnia maltozę z amylozy, zaś amylopektyna i inne rozgałęzione polimery są degradowane do różnych oligosacharydów . przy czym 50-60% hydrolizatu stanowi maltoza, optymalna temp.działania 55- bOC , optymalne pH 5,0, R-amylaza z Clostridium thermosulfurogenes; 75-85C

Alfa-1,6-enzymy

- Pullulanaza - hydrolizuje pullulan (maltotriozy połączone wiązaniami alfa- 1,6) atakują wiązania alfa-1,6- glukozydowe, a także amylopektynę i pochodne oligosacharydy. Pullulanaza uwalnia produkty o DP od 115 do 2300, producenci Klebsiella aerogenes (optymalne pH 5.0, optymalna temp. 60 stC)

- Izoamylaza - hydrolizuje wiązania alfa-1,6- w amylopektynie, bardzo wolno lub wcale nie hydrolizuje pullulanu, producent Pseudomonas sp. Optymalne warunki: pH 4,0, temp. 50-55 st C. Powoduje retrogradację skrobi.

Cyklodekstryno glukotransferazy

• Cykodekstrynotransferaza (CGTaza E.C.2.4.19 jest enzymem hydrolizującym skrobię do serii nieredukujacych cyklomaltooligosacharydów zwanych cyklodekstrynami które zawierają 6.7 lub 8 jednostek glukopiranozowych

• CGTaza jest produkowana przez szczepy z rodzaju Bacillus. B. macerans produkuje alfa- cyklodekstryny, podczas gdy B. stearothermophilus produkuje alfa i beta cyklodekstryny, a B. subtilis gamma-cyklodekstryny

Izomerazy

• Izomeraza glukozowa stosowana jako enzym unieruchomiony znalazła zastosowanie do konwersji glukozy do fruktozy

• Aktywatorem enzymu jest jon kobaltowy i magnezowy, jednak część enzymów nie wymaga aktywatorów

• Producenci: B. circulans

• Optymalne pH 8,2. optymalna temp. 65C

Zastosowanie maltooligosacharydów i syropu skrobiowego

- Maltooligosacharydy: składnik miękkich i twardych cukierków, jako materiał wiążący do produkcji tabletek w farmacji, jako zastępnik tłuszczu, do kapsułkowania aromatów

- Syrop skrobiowy: kapsułkowanie aromatów, składnik gum jako plastyfikator i zagęstnik

Produkcja różnych syropów maltozowych

Właściwości funkcjonalne i zastosowanie syropów maltozowych

- Syrop wysokomaltozowy: zmniejszona tendencja do krystalizacji, mało higroskopjiny, niska lepkość, średnia słodkość, zastosowanie w browarnictwie, piekarnictwie, napojach, cukierkach, ciastkarstwie, produkcji lodów

- Syrop ekstremalnie wysokomaltozowy: produkcja maltozy, m.in. dla diabetyków, produkcja maltitolu z maltozy jako niskokalorycznego słodzika, izomeryzacja maltozy do maltulozy, 75% słodkości sacharozy

Technologia cyklodekstryn

• Metoda rozpuszczalnikowa: rozpuszczalnik ukierunkowuje reakcję enzymatyczną na dominację jednej z cyklodekstryn. Reaktor napełniany jest częściowo zhydrolizowaną skrobia, enzymem i rozpuszczalnikiem. Na końcu reakcji otrzymujr mieszaninę zawierająca kompleks cyklodekstryny i rozpuszczalnika (alfa-cyklodekstryna tworzy kompleks z 1-dekanolem. beta-cyklodekstryna wytrąca się z cyklooctanem. Kompleks jest odwirowywany lub filtrowany, a po usunięciu rozpuszczalnika jest oczyszczany jak inne produkty hydrolizy skrobi. Pozostałość po oczyszczeniu może być nawet poniżej 1ppm

• Metoda bez rozpuszczalnika: reaktor jest napełniany hydrolizatem skrobi i enzymem w warunkach sterylnych. Po zakończeniu reakcji CDGTaza jest inaktywowana termicznie a niecykliczne dekstryny są hydrolizowane alfa-amylazą. Po rafinacji mieszanina jest zagęszczana do max wydajnościbeta- cyklodekstryną, która jest najsłabiej rozpuszczalna. Kryształy są odwirowywane, przemywane i suszone.

• Produkcja cyklodekstryn przez transgeniczne ziemniaki; „molecular farming” - początki - niska wydajność

Właściwości funkcjonalne i zastosowanie cyklodekstryn

• Cyklodekstryny tworzą kompleksy inkluzyjne ze związkami organicznymi co nosi nazwę molekularnego kapsułkowania

• Wnętrze cyklodekstryn jest apolarne co sprawia ze alfa-cyklodekstryny tworzą inkluzyjne kompleksy z alifatcznymi węglowodorami, beta-cyklodekstryny z naftolami sterydami a gamma-cyklodekstryny z

D2

• Cyklodekstryny stabilizują aromaty, emulsje tłuszczy i olejów, jednak zapotrzebowanie na nie jest ograniczone z racji ceny

Substancje pektynowe - gumy roślinne

Pektyna jest polimerem kwasu alfa- galakturonowego, w którym grupy karboksylowe zostały zestryfikowane metanolem.

Łańcuchy od 300 do 1000 jednostek kwasu glukuronowego

Wiązania alfa 1->4

Stopień estryfikacji wynosi 60 % a pektyna określana jest jako DE-60 pektyna

Substancje pektynowe- pektyna

-Pektyna, która jest ekstrahowana z owoców ma ponad 50% grup zestryfikowanych i jest określana jako pektyna wysokozmetylowana.

- Zmodyfikowana ekstrakcja lub kwasowa hydroliza daje pektynę nisko zmetylowaną

Substancje pektynowe

• Są to wysoko cząsteczkowe pochodne kwasu poligalakturonowego zestryfikowanego częściowo metanolem w połączeniu z arabinogalaktanami, występujące w królestwie roślin

• Kwas poligalakturonowy stanowi główny łańcuch, część grup hydroksylowych C₂i C₃

jest zacetylowana. Ponadto L-ramnoza jest połączona z łańcuchem poligalakturonowym wiązaniami R>-(1-2) i fi -(1-4)

Łańcuchy boczne stanowią arabinany, galaktany. arabinogalaktany, ksyloza lub fukoza połączone z łańcuchem głównym przez atomy C, i C₂

Protopektynazy

• Protopektynazy przekształcają nierozpuszczalną protopektynę w rozpuszczalną w wodzie pektynę

• Protopektynazy stwierdzono w płynach pohodowlanych grzybów, i bakterii takich jak: Kluyveromyces fragilis. Trametes sp.. Bacillus sp.

Wykład 13

Enzymy pektynolityczne - podział

- Protopektynazy; degradujące nierozpuszczalną w wodzie protopektynę, składnik tkanek roślinnych w wyniku czego powstaje wysokocząsteczkowa rozpuszczalna pektyna

- Esterazy; katalizują de-estryfikację pektyny poprzez degradację wiązań estrowych uwalniając metanol

- Depolimerazy; katalizują hydrolizę wiązań alfa-1,4- glukozydowych w cząsteczkach kwasu poligalakturonowego pektyny. Depolimerazy działają w oparciu o jeden z dwóch mechanizmów: hydrolizy (poligalakturonaza i polimetylogalakturonaza) oraz transeliminazy (liazy poligalakturonowe i polimetylogalakturonowe)

- Enzymy mogą działać jako endo i egzo enzymy

Poligalakturonazy

- Poligalakturonazy degradują substancje pektynowe zarówno w sposób endo jak i egzo

- endo-PGazy są syntetyzowane przez bakterie, grzyby jak i drożdże takie jak Aspergillus sp., Rhizoctonia solani i inne

-Egzo-PGazy są mniej rozpowszechnione; grzybowe uwalniają kwas monogalakturonowy podczas gdy pochodzenia bakteryjnego kwas digalakturonowy

- zakres działania to pH 3,5-5,5 a temperatura optymalna 30-50 st C

Liazy (lub transeliminazy)

• Liazy powodują niehydrolityczną degradację pektyn i kwasu pektowego powodując powstawanie nienasyconych produktów

• Wyróżnia się; liazy endopoligalakturonowe, liazy exopoligalakturonowe, liazy egzometylogalakturonowe, liazy endometylopologalakturonowe

• Liazy poligalakturonowe typu endo są produkowane przez liczne bakterie i patogeniczne grzyby w większym stopniu niż typu egzo; przedstawiciele: Erwinia carotovora, Bacillus sp., Pseudomonas syringae

• Jest niewiele doniesień o produkcji liaz polimetylogalakturonowych; Przedstawiciele producenci to szczepy z rodzaju Aspergillus, Penicilium czy Pichia

• PGLs wymagają obecności jonów wapniowych 7.0-11.0, optymalna temperatura 40-50 st C. Liazy grzybowe mają optimum pH 5.0-6.0

Pektynoesteraza (PE)

• Zwana też pektynometyloesterazą powoduje demetyiację pektyny, co umożliwia działanie poligalakturonazom i liazom pektynowym

• Grzybowa pektynoesteraza działa w sposób przypadkowy, zaś pochodzenia roślinnego działa od nieredukującego końca

• Jej obecność stwierdzono wśród roślin, bakterii i grzybów; Aspergillus. Penicillum. Erwinia i inne

• PE jest najbardziej aktywna gdy pektyna jest zmetylowana w 65-75%. Optimum pH 4.0-8,0 temp. 40-50 C

Zastosowanie pektynaz - ekstrakcja, depektynizacja, klarowanie

• Traktowanie pulpy owocowej enzymami macerującymi ( pektynazy. celulazy. hemicelulazy) zwiększa wydajność soków

• Depektynizacja soków umożliwia ich zagęszczanie do wysokich koncentracji (70"

• Maceracja pulpy pozwala na uzyskanie homogennnych nektarów owocowych i soków warzywnych

• Działanie pektynometyloesterazy pozwala na polepszenie klarowania soków z owoców cytrusowych

Zastosowanie pektynaz

• Usuwanie związków gumowatych z włókien roślinnych z wykorzystaniem ksylanaz

• Redukcja lepkości w paszach przeznaczonych dla zwierząt a wywołanych obecnością pektyn

• Pektynazy przyśpieszają fermentacje herbaty

• W przemyśle tekstylnym wykorzystuje się je do usuwania związków z bawełny nie powodując degradacji celulozy

Enzymy proteolityczne - podział

- w zależności od lokalizacji na:

-pozakomórkowe

-wewnątrzkomórkowe

- w zależności od miejsca ataku w łańcuchu peptydowym

- egzopeptydazy

- endopeptydazy

Egzopeptydazy - podział

- Aminopeptydazy; działają na N-koniec łańcucha peptydowego

- Karboksypeptydazy; odszczepiają aminokwasy od C-końca łańcucha peptydowego i można je podzielić na: karboksypeptydazy serynowe, metalokarboksypeptydazy i karboksylazy cysteinowe

- Dipeptydazy; hydrolizują dipeptydy do wolnych aminokwasów

- Dipeptydypeptydazy; odszczepiają dipeptydy z N-końca łańcucha peptydowego

Endopeptydazy - podział

- Proteinazy serynowe; zwierające w centrum aktywnym serynę i histydynę

- Proteinazy cysteinowe (tiolowe); mają w centrum aktywnym sulfhydrylową grupę cysteiny i imidazolową grupę histydyny

- Proteinazy aspartylowe (kwasowe, karboksylowe); w katalizie uczestniczy grupa asparaginowa

- Metaloproteinazy; w centrum aktywnym występuje jon metalu; najczęściej cynku, rzadziej manganu lub kobaltu

Fizjologiczne znaczenie proteaz

- katabolizm białek

- udział w sporulacji i konidiowaniu

- kiełkowanie

- modyfikacje enzymów

- udział w odżywianiu organizmów

- regulacja ekspresji genów

Zastosowanie proteaz - detergenty

• Do produkcji detergentów i środków piorących stosuje się proteazy o wysokim punkcie izoelektrycznych zbliżonym do pH roztworów detergentów w pobliżu 11

• Najczęściej stosuje się proteazy serynowe wytwarzane przez szczepy z rodzaju Bacillus

Przemysł mleczarski - serowarstwo

Enzymy koagulujące kazeinę mleka

- renina- (podpuszczka) zawierająca chymozynę i pepsynę a izolowana z żołądka cieląt

- enzymy koagulujące pochodzenia mikrobiologicznego np. Z Mucor miehei; liczne niespecyficzne białka powodowały powstawanie gorzkiego smaku

- chymozyna otrzymana na drodze inżynierii genetycznej wykorzystując do tego celu jako gospodarza Aspergillus noger var. awamori

Przemysł piekarski:

• Częściowa proteoliza glutenu co ułatwia mieszanie ciasta, skraca czas mieszania oraz zwiększa objętość pieczywa

Inne zastosowania proteaz

- przemysł browarniczy: usuwanie zmętnień białkowych - papaina, bromelaina

- poprawa rozpuszczalności białek sojowych, poprawa właściwości funkcjonalnych mięsa wołowego

- otrzymywanie hydrolizatów białkowych

- otrzymywanie koncentratów aminokwasów

- dojrzewanie ryb solonych

- tenderyzacja mięsa zwierząt rzeźnych i jadalnych bezkręgowców pochodzenia morskiego

Tenderyzacja mięsa

Kolagen sprawia, że mięso jest twarde

Młode zwierzęta mają mniej powiązań poprzecznych w kolagenie.

Metody tenderyzacji mięsa:

a) enzymatyczne

b) mechaniczne

- mielenie, siekanie

c) „wilgotne ogrzewanie” (Moist heat)

- zmiana twardego kolagenu na delikatną żelatynę

Transglutaminazy

- Transglutaminaza, jako acylotransferaza, katalizuje reakcje łączenia acylowej lutaminy wbudowanej w białko lub peptyd z grupą reszt lizyny również wbudowanej w białko lub peptyd. Efektem końcowym jest sieciowanie białka które objawia się większymi lub mniejszymi zmianami reologicznymi.

- Wiązania glutaminowo- lizynowe są in vivo łatwo i całkowicie rozszczepiane w przewodzie pokarmowym

Transglutaminaza - zastpspwanie

• Filety rybne inkubowane w TG przed mrożeniem wykazują mniejszy wyciek

• Obróbka TG wpływa na mniejsze ubytki farszu podczas obróbki cieplnej

• TG pozwala łącznych odpadkowe sur w kombinacje bardziej wartościowe np łososia z glutenem, kazeiną i innymi białka

• TG polepsza właściwości wypiekowe pieczywa

Lipazy; właściwości, otrzymywanie i zastosowanie

Właściwości lipaz

- Podstawową funkcją lipaz jest hydroliza triacylogliceroli do kwasów tłuszczowych, mono-,diacylogliceroli oraz gliceryny

- Lipazy charakteryzują się większą specyficznością w stosunku do substratów nierozpuszczalnych w wodzie niż do rozpuszczalnych w wodzie, co jest cechą odróżniającą lipazy od esteraz

Zastosowanie lipaz -detergenty

- Lipazy stosowane są w przemyśle środków myjących i detergentach stosowanych w gospodarstwach domowych

- Lipazy winny się charakteryzować następującymi cechami;

- niską selektywnością substratową, by hydrolizować różne tłuszcze

- spełniać wymogi środków myjących (pH 10-11, temp. 30-60 C

- Być odpornym na działanie surfaktantów i enzymów (proteazy)

Lipazy - producenci

- Od 1994 roku handlowe rekombinowane lipazy produkowane są przez Aspergillus oryzea a pochodzą z grzyba Thermomyces lanuginosus oraz przez Pseudomonas alcaligenes M-1

Lipazy- zastosowanie; produkty mleczne

Małe ilości kwasów tłuszczowych mają wpływ na

- aromat i smak czekolady, serc masła

- prowadzą do tworzenia piany

Lipazy - zastosowanie, produkty hydrolizy

- przemysł skórzany - usuwanie tłuszczu ze skór

- przemysł papierniczy - poprawa jakości papieru

- środki czystościowe - usuwanie tłuszczu

Lipazy- przemysł spożywczy

- Lipazy modyfikują właściwości lipidów zmieniając lokalizacje kwasów tłuszczowych w glicerolu. Są wykorzystywane do transestryfikacji tłuszczów, poprawiając ich właściwości Teologiczne i fizykochemiczne

Biodiesel => bioestry

- Biodiesel to biopaliwo pochodzące z chemicznego przetworzenia olejów roślinnych, stosowane do silników wysokopręznych

- Biodieslem nazywamy zarówno estry metylowe kwasów tłuszczowych (głównie FAME= Fatty Acid Methyl Esters) jak i mieszanki paliwowe estrów z olejem napędowym, np.

> B100% FAME

>B80 80% FAME 20%ON itp.

- oleje napędowe o zawartości <5% biokomponentów nie muszą być specjalnie oznakowane

- spalanie biodiesla ma szereg zalet, jednak nie jest idealnym rozwiązaniem

- klasyczne metody produkcji możliwe na małą skalę

- algi - przyszłościowe źródło surowca

NADH₂

NAD

Temperatura

Growth rate

Yeast

Izomeryzacaja

śrutowanie

Słód

zasyp

Zacier

Dodatki zbożowe

Woda

Oddzielenie brzeczki zaciernej

Młóto

Słodka brzeczka

Gotowanie

Brzeczka chmielona

Klarowanie brzeczki

Schładzanie i napowietrzanie

Chmiel

Syropy

cukry

Fermentacja

Młóto chmielowe

(chmieliny) gorący osad

Piwo zielone

Starzenie i kondycjonowanie

drożdże

Nadwyżka drożdży

Pomocnicze środki technologiczne

Klarowanie

Rozlew

Stabilizacja biologiczna

Drożdże zmętnienie na zimno

Stabilizacja biologiczna

Dystrybucja w małych opakowaniach

Rozlew

Dystrybucja w dużych opakowaniach

Żywe piwo beczkowe i butelkowe kondycjonowane

Dystrybucja

Zawiesina skrobi + alfa amylaza, jony wapniowe, pH 6,5

Kleikowanie skrobi (110-140 stC, 5-10 minut)

Upłynnianie (alfa-amylaza, 90 stC, 90-120 min)

Para wodna

Inaktywacja enzymów, pH 3-5,5 minut gotow.

Filtracja i oczyszczenie węglem aktywnym

Suszenie rozpyłowe

Maltodekstryny

Zawiesina skrobi (30-40%, pH 6,5, alfa amylaza, jony wapniowe)

Kleikowanie skrobi (110-140C, 5-10 minut)

Upłynnianie skrobi (DE 5-10, 90-95C, 90-120 minut)

Scukrzanie (DE 30-35, alfa lub beta- amylaza, pH 5,0, 55C)

Scukrzanie (DE 45-60, alfa amylaza grzybowa lub beta amylaza, pullulanaza, pH 6.0, 55C

Filtracja i oczyszczanie

Filtracja i oczyszczanie

Syrop wysokomaltozowy

Ekstremalnie wysokomaltozowy syrop

---