Biotechnologia sciaga (2)

Biotechnologia i jej znaczenie w produkcji żywności.
Biotechnologia jest interdysc.dziedz. nauki,obejmuje proc. biosyntezy i biotransformacji przebiegające przy udziale drobnoustrojów, kultur komórkowych(roślinnych i zwierz.)-in vitro i enzymów. W zakresie agrobiotechnologi-kontrola populacji chwastów i szkodników,wzrost odporności roślin i zwierząt na choroby wirusowe,grzyby,bakterie,skrajne war.atmosf.Produkcja żywności-opracowanie sposobów poprawiania cech organoleptycznych produktów (kolorów, smaku, zapachu) i ich wartości odżywczej (zawartości białek, lipidów i sacharydów), a także modyfikacje cech produkcyjnych roślin (np. opóźnienie dojrzewania).Ważne też zapewn.bezp. zdrowotnego żywności.. Bardzo duże znaczenie dla całej ludności będą miały rośliny zawierające substancje farmakologiczne, czyli tzw. jadalne szczepionki-rośliny zawierające określone leki.Pozyskanie żywn.funkcjonalnej(wzbogacanej w witaminy,mikro-,makroelementy lub inne skł.odżyw.)ma duże znacz.dla całej ludzkości.Pozyskiwanie żywn.trangenicznej jest ważnym obszarem gospodarki.
2 Narzędzia biotechnologii
*Drobnoustroje-bakterie,drożdże, pleśnie,glony,pierwotniaki.Cechy:spora szybkość przem materii,wielka różnorodność prow. reakcji chem. i produktów, znaczna zmienność fizjologiczna pozwalająca na sterowanie przebiegiem procesów mikrobiologicznych.Drobnoustroje mają dość szerokie zastos w biotech, zależy to jednak od ich rodzaju oraz uzdolnień.Promieniowce stos są do wytwarz antybiotyków np.: Streptomyces – streptomycyny. Drożdże wykorzystywane są w proc ferment np.w prod wina i piwa(saccharomyces cerevisiae).Bakterie stos są w ferm mlekowej.Drobnoustroje wykorzystuje się w prod aminokwasów oraz enzymów-potrzebne wyselekcjonowane drobnoustroje;
*Tkanki roślinne i zwierzęce; procesy biotechn często wykorzystują tkanki roślinne i zwierzęce.Wiąże się duże nadzieje z genetycznym ulepszaniem roślin-zwiększenie odporności roślin i ich wart.odżywczej.Zastosowanie transgenazy u zwierząt umożliwia np.doskonalenie składu mleka,zwiększ odpor zwierz hodowlanych na choroby.
*Enzymy-białka proste lub złożone glikoproteiny wytwarzane przez org żywe.Enzymy w tech żywności umożliwiają pełniejsze wykorzystanie surowców,poprawę cech organoleptycznych produktu, przedłużenie trwałości produktu.
*Plazmidy – są to pozachromosomalne elem genetyczne-czynniki modyfikujące właściwości kom. Plazmidy są małymi, na ogół kolistymi zwiniętymi dwunicowymi cząsteczkami DNA. Plazmidy biorą udział w transkrypcji oraz replikacji; *wirusy i bakteriofagi: Cechą wirusów i bakteriofagów jest szybkość rozmnażania się oraz efektywne rozprzestrzenianie się w przyrodzie.Jako wektory wprowadzane do komórek bakterii stosuje się zmodyfikowane bakteriofagi,czyli wirusy bakteryjne,które mają naturalną zdolność wnikania do komórek bakterii. Niektóre bakteriofagi używane są jako wektory w proc.klonowania.
3) Pożywki do hodowli drobnoustrojów – zasady komponowania.
W namnażaniu drobnoust.a także w syntezie okr.produktów przez drobnoust.kluczową rolę odgrywa skł.pożywki.Ustalanie skł.poż rozpoczyna się od ustalenia niezbędnej ilości odpowiedniego źródła węgla.Równie ważny jest azot-budulec białka komórki. Wszystkie skł.odżywcze musza występować w pożywce jednocześnie i w formie przyswajalnej.Podstawową inf.przy opracowaniu skł.pożywki jest skład komórki drobnoustroju który ma być na tej pożywce hodowany.Niektóre skł.odżywcze jak np.fosfor są dodawane w ilości większej aby zwiększyć właściwości buforujące pożywki.Mikroelementy powinny być dodawane w ilości ściśle wyliczonej lub ustalonej dośw.gdyż ich nadmiar hamuje rozw.drobnoust.i zwiększa koszt pożywki.Warunki staw.pożywce: * odpowiednia wart.odżywcza- wszystkie skł.pokarmowe potrzebne drobnoust * związki nieorganiczne jako źródło makroelementów* witaminy,subst. wzrostowe, mikroel.*odpowiednie pH *przejrzyste*sterylne!!!
4)Metody hodowli drobnoustrojów. W bioreaktorach-wgłębna,w biofermentorach-powierzchniowa * Hodowla okresowa- Substraty odżywcze dostarczone jednorazowo w początkowej fazie procesu.Ze środowiska hodowli nie usuwa się biomasy ani metabolitów. Podłoże szczepione jest drobnoustrojami,które namnażają się i w czasie swojego wzrostu lub po jego zakończeniu tworzą określony produkt. Po zakończeniu fermentacji produkt izolowany jest z całości hodowli,z kom lub z przesączu pohodowlanego,a cała aparatura przygotow do nowego cyklu produkcyjnego. Duże trudności przysparza kontrola i regulacja takiego procesu , co bardzo ogranicza możliwość zautomatyzowania operacji technologicznych. Stosowana jest przy ferment piwa, zacieró skrobiowych w gorzelnictwie, prod octu. –
*Hodowla półciągła z dokarmianiem – stosowana gdy wysokie stęż substratu powodują niekorzystne zmiany populacji drobnoustr(zaham rozw) dlatego dodaje się go okresowo.Okresowe odbieranie części środowiska znajd się w fermentorze i wprowadz.równoważnej ilości świerzej pożywki.Stos do.np hodowli drożdży piek.
*Hodowla ciągła- w fermentatorze jest pożywka na określonym poziomie.Fermentat zaszczepiany,w sposób ciągły wprowadza się pożywkę w tym samym składzie,w tym samym czasie odbieramy pożywkę przefermentowaną.Stężenie biomasy produktu i substratu zależy od szybkości z jaką świeża pożywka wprowadzana jest do fermentatora.Stopień rozcieńczenia pożywki D–musi spełniać następujący war Dnmax – następuje wypływanie organizmów z pożywki.Zalety proc.ciągłego:wyeliminowanie wpływu czasu hodowli na fizjologię komórek,możliwość automatyzacji procesu; większa szybkość i wydajność wielu procesów; możliwość maksymalnego wykorzystania aparatury przy równoczesnym równomiernym jej obciążaniu przez cały czas trwania procesu.
5)unieruchomianie komórek drob i ich wykorzystanie:
1.wiazanie na pow nośnika:
1.1 adsorpcja i adhezja dzięki siłom jonowym, wiąz wodorowym i innym słabym oddział fizykochem.nosniki:drewno, celuloza, węgiel akt, krzemionka, łatwa i droga
1.2.wiąz kowal.-peptydowe,estrowe,C-C,C-N.Nośniki i odczynniki wiążące:bezwodniki kwas,tiaminy.łatwa i droga
2.wiąz. w matrycy nośnika
2.1.pułapkowanie w żelach natur. lub syntet.agar,alginian, kolagen,tania metoda, nie można stos do enzymów hydrolitycznych., działających na substraty wielkocząst. I degradujących żel.
2.2.Pułapka we włóknach.włókna z octanu celulozy.
3.zamykanie wewnątrz membran półprzepuszczalnych.
3.1.zamykanie w kom natur(erytrocyty)
3.2.kapsułk i mikrokapsułk.-w lecznictwie
3.3.zamykanie pomiędzy membranami lub w wężach półprzepuszczalnych
4.Unieruchomianie bez mikroskop nośnika mechanicznego
4.1sieciowanie przestrzenne, kopolimeryzacja enzymów z nośnikami rozpuszczalnymi przy użyciu odczynników 2fukncyjn.
4.2.flokulacja kom przy udziale polielektrolitów.
4.3.samoagregacja
6) Narys i opis pdst schemat procesu biotechnologicznego
1) etap przygotowawczy, obejmujący mycie i dezynfekcję lub sterylizację podłoży
2)namnażanie materiału posiewowego
3) prowadzenie procesu biosyntezy
4)wydzielenie i oczyszczenie produktu
5)otrzymywanie formy handlowej produktu
7) Podstawowe proc.biochemiczne drobnoust.
Fermentacja:
-Bakterie mlekowe – wywołujące ferm. mlekową posiadają zdolność rozkładu skrobi w wyniku czego, w reakcji fermentacji mlekowej powstaje kwas mlekowy, dwutlenek węgla oraz inne substancje chemiczne. Zjawisko fermentacji mlekowej wykorzystywane jest przede wszystkim w zakładach mleczarskich i piekarskich.
- Bakterie octowe – wywołują ferm. octową. Zjawisko to wykorzystywane jest podczas produkcji octu i kwasu octowego.
-Drożdże-prowadzą ferm.alkoholową wyk przy produkcji piwa,wina.
- Pleśnie-ferm. cytrynowa w wyniku której uzyskiwany jest kwas cytrynowy do produkcji kwasku cytrynowego;do jego produkcji wykorzystuje się pleśń kropidlaka czarnego.
8)Narysować i opisać systemy napowietrzania fermentatorów
A- bioreaktor z mieszdłem tarczowy i bełkotką.B- bioreaktor z mieszadłem samonapowietrzającym.C-strumieniowy z pompą zewnętrzną i inżektorowym zasysaniem powietrza. D- bioreaktor kolumnowy(wieżowy z bełkotką)panuje tu nadciśnienie-większa rozpuszczalność .E-bioreaktor z wewnętrzną rurą cyrkulacyjną i dyszą napowietrzającaF-z mieszadłem turbinowym i wewnętrz.rurą cyrkulacyjną.G- bioreaktor z zewnętrzną rurą cyrkulacyjną, 1- doprowadzanie powietrza, 2 – wylot powietrza, 3- inżektor 4- pompa
9) Metody sterylizacji pożywek Podstawową met. wyjaławiania podłoża jest steryl.termiczna.Komórki wegetatywne org. w środ.wodnym giną zwykle w temp65-80 C po kilku minutach. Zniszczenie form przetrwalnikowych niektórych bakterii-temp.120 C przez 10-15 minut. W praktyce laboratoryjnej sterylizację podłoży prowadzi się najczęściej w temp.115-121 C przez 15-20 minut. W war.przemysłowych stosuje się zróżnicowaną temp i różny czas jej działania,zależnie od przyjętej metody wyjaławiania.Metody:
*Okresowa- Czas ster.obejmujący:podgrzanie,odpowietrzenie,właściwą sterylizację i ochłodzenie= kilka godzin. Można prowadzić w oddzielnym sterylizatorze zbiornikowym lub bezpośrednio w bioreaktorze.Do płaszcza zewnętrznego doprowadza się ogrzewanie,fermentor trzeba odpowietrzyć, zamknąć i ogrzewać do temp 121oC. Pożywkę w tej temp trzeba utrzymać około1h. Potem po godzinie przestajemy ją ogrzewać i doprowadzamy wodę chłodzącą aby ochłodzić pożywkę. Metoda droga bo ciepło nie może być odzyskiwane.W trakcie sterylizacji pożywka ulega częściowej degradacji, dlatego cukier często sterylizuje sie oddzielnie.
* Ciągła przeponowa Doprowadzenie poż.do dużo wyższej temp przez krótki czas 2-3 minut,czas przetrzymywania w tej temp i schładzania podłoża ulega skróceniu.W tych warunkach mniej zmienia się skład chem i odczyn podłoża,co ma duże znaczenie dla przebiegu wielu proc biosyntezy. System składa się z 3 wymienników ciepła.Pożywki niejałowe są dodawane do 2 wymiennika.Dalej następuje podgrzewanie do wysokiej temp, która trwa dość krótko, podobnie jak przetrzymanie tej pożywki w wysokiej temp.Gorąca pożywka kierowana jest z przytrzymywacza do 2 wymiennika, gdzie odbiera ona ciepło i ogrzewa kolejna pożywke. Pożywka musi być ciekła, klarowna, nie może zawierać subst.stałych. Wykorzystane są także tu rekuperatory, które służą do odzyskiwania ciepła. (np.UHT
*Ciągła bezprzeponowa wysokotemperaturowa(140C) metoda gdzie para grzejna jest bezpośrednio wprowadzana do sterylizowanej pożywki.Potem pożywkę kierujemy do zaworu rozprężającego podłączonego do próżni gdzie pożywka odparowuje. Zalety tej metody to krótki czas nagrzewania,szybkie chłodzenie i pożywka jest najlepsza pod względem jakości.Można sterylizować pożywki zawierające zawiesiny,nie tylko klarowne
.
Zastosowanie drożdży w przemyśle spoż
1. Prod wina-*wino czerwone.Miazga z winogron do kadzi ferm.dodać SO2-konserwuje i zabija drożdże dzikie-zapobieganie stratom cukrów,zabezp.skł winogron przed utlenianiem.Nastepnie wprow.drożdży Saccharomyces bayanus-odporne na SO2 Powstający alkohol ekstrahuje barwnik ze skórki winogron-sam sok lekko różowy.T=25-30C,kilka dni burzliwej fermentacji,po2tyg oddziel skórki i pestki.Wino do leżakowni gdzie dojrzewa.*Wino białe-wycisnąć moszcz, dodać SO2 i drożdży winiarskich,zlać górna warstwe,dojrzewanie,filtrowanie,
2.Cydry jabłkowy lub gruszk:2-6% alk; może być prod jako gazowany,zmiażdżeni jabłek wyciśnięcie soku,moszcz poddać fermentacji z dodatkiemSO 2 Cydr musuj. w moszczu zostaw 2%cukru,leżakuje w zamknietych beczkach-nasycenie 3.Wódka i spirytus- *ferm surowców skrobiowych (żyto, kartofle) *drożdże nie fermentują skrobi tylko cukry proste * surowce poddaje się scukrzaniu (hydroliza skrobi)Ziemniaki ugotuj,zmiażdż, dodaj słód zielony lub amylazę,zakwasić i zaszczepić Sacch.cer. otrzymuje się spirytus.4.Tequilla- wódka z ferm. soku z agawy (zawiera skrobię) 5.Pombe-piwo afrykanskie drożdże Schizosaccha. pombe żucie korzenia kasawy lub manioku-ślina rozkuł skrobie; przefermentowany zacier bez obróbki to piwo 6.Piwo-drożdże s.cerevisiae-górna ferm(14-23C piwo mętne),. S.uvarum-dolna ferm(8-12C kłaczki łatwo opadają).Piwo to słodowany jęczmień-jęczmień namocz-on kiełkuje, aktyw.enzymów proteo i amylolitycznych, wysusz,oddziel kiełki=powstaje słód. Brzeczka piwna jest gotowana, dodaje się szyszki chmielu, fermentacja,leżakowanie
7.Wypieki-porowatą strukt ciasta otrzym się w wyniku ferm.alkoh prowadz przez drożdze piekarskie S.cerevisiae. Pulchne ciasto-wytworzony CO2.Temp 25-27C
4.Prod.kw organicznych *kwas octowy-produkowany przez bakt.Acetobacter aceti, reakcja jest zaliczana do pseudofermentacji . Pod wpływem enzymów wytwarzanych przez bakterie octowe etanol utlenia się z wykorzystaniem tlenu z powietrza do kwasu octowego z wydzieleniem wody. Przy produkcji octu spirytusowego wykorzystuje się m.in. metodę Schutzenbacha. Polega ona na stworzeniu możliwie największej powierzchni, na której następuje utlenianie alkoholu. Powierzchnię tę stanowią wióry bukowe, nasycone 6% octem, z którym wprowadzane są bakterie octowe. Następnie zwilża się je rozcieńczonym spirytusem. Jako naczyń fermentacyjnych używa się specjalnych aparatów drewnianych, tzw. stojaków lub generatorów.*kwas cytrynowy jest produktem fermentacji cytrynowej.Jest to metoda otrz. Kw. cytrynowego z glukozy z wykorzystaniem odpowiednich pleśni.Proces nie jest właściwą fermentacją, bo ma charakter ściśle tlenowy,nazwano go tak ze wzg. historycznych i zwyczajowych.Kw. cytryn.jest produktem metabolizmu pierwotnego Aspergillus Niger, źródło węgla: melasa, syropy glukozowe i fruktozowe, źródło azotu: sole amonowe *kwas mlekowy-wytwarz.przez bakt z rodz Lactobacillus w war beztlenowych,T45-50C,źródło węgla sacharoza lub zarodki zbożowe,dodatek zmielonej kredy wytrąca powstały kwas mlekowy. oczyszcz: działanie kw. siarkowym na mleczan wapnia.Kw mlek.to naturalny środek konserwujący*kwas propionowy produkowany z udz.bakterii Propionibacterium*kwas masłowy produkowany przez Clostridium butylicum, Cl. Amylolyticum, Cl. Saccharoacetobutylicum
1)Przemysłowe wykorzystanie bakterii mlekowych . Fermentacja mlekowa - fermentacja węglowodanów do kwasu mlekowego odbywająca się pod wpływem działania bakterii mlekowych. Fermentacja ta odgrywa kluczowe znaczenie przy produkcji wielu przetworów mlecznych. Bakterie Lactobacillus i Lactococcus odpowiadają za proces fermentacji mlekowej; rozkładają cukier zaw w mleku. Jogurt jest wytwarzany przez termofilne bakt mlekowe (40-50C) ma ona zdolności do metabolizmu laktozy, kt ulega ukwaszeniu w taki spos , ze część glukozowa laktozy jest fermentowana do kwasu mlekowego. Reszta to glukoza – cukier antyżywieniowy.Przy udziale bakterii mlekowych jest też wytwarzany kwas mlekowy. Można go wykorzystywać do ukwaszania surowców. Jest on naturalnym śr.konserwującym-kiszenie ogórków,kapusty. W przemysle mleczarskim do prod napojów mlecznych fermentowanych, ukwaszania mleka,dojrzewanie serów.W mięsnym prod wędlin surowych-meta,salami.W piekarskim-zakwasy chlebowe -prod chleba żytniego
3. Mikrobiologiczna produkcja aminokwasów na przykładzie kw. Glutaminoweg0
Kw. L-glutaminowy prod.się metodą biosyntezy mikrobiologicznej.Drobnoustroje syntetyzują wiele aminokwasów niezbędnych do budowy białek.W wyniku selekcji drobnoustrojów można uzyskać organizmy przydatne do przemysłowej produkcji aminokwasów.Jednocześnie przez dobór warunków hodowli,a zwłaszcza mutagenizację drobnoustrojów można uzyskać organizmy zdolne do nadprodukcji danego aminokwasu. Zdolność biosyntezy kwasu L-glutaminowego wykazują bakterie rodzaju Corynebacterium,Brevibacterium,Microbacterium i Arthrobacter. Wyselekcjonowane bakterie Corynebacterium glutamicum zostały użyte do przemysłowej produkcji kw. L-glutaminowego. Bakterie te do wzrostu potrzeb.biotyny.Jeśli zaw.biotyny ograniczona jest do 5 µg/L to syntetyzują one niekompletną ścianę komórkową która przepuszcza aminokwasy o charakterze kwaśnym np kw.glutam. Produkcja kwasu zaczyna się po zakończeniu wzrostu drobnoust.W cyklu Krebsa wytwarzany jest ketoglutanian który jest zamieniany na L-glutaminian.Proces tlenowy,czas48-72h, temp.30C,pH5,8-6,5 pożyw-sacharoza,intensywne napowietrzanie. Przy prod kwasu źródłem węgla w pożywce może być glukoza,sacharoza,melasa, alk.etylowy,kw.octowy.Jako źródło azotu =sole amonowe,amoniak,mocznik. W celu zwięk.przepuszcz.błony kom.-dodać detergent,penicylinę lub nasyc.kw. tłuszczowy. Produktcja kw.glut.zaczyna się po zakończeniu wzrostu hodowli. Po zakończeniu hodowli usuń kom. Bakteri i dodaj mleko wapienne,roztw.doprowadź do pk.izoelektrycznego.Po ostudzeniu brzeczki wykrystalizuje się kw.glutaminowy.