Transcript Principi biotehnološke proizvodnje hrane

Principi biotehnološke
proizvodnje hrane
“Procesi prije bioreaktora”
(upstream)
3. Predavanje
Mikroorganizmi u biotehnološkim procesima
proizvodnje hrane i priprema inokuluma
za biotehnološki proces
Izv.prof.dr.sc. Jasna Mrvčić
Pitanja za ponavljanje – 1. predavanje
1.
Definicija biotehnologije
2.
Podjela biotehnoloških procesa s obzirom na vrstu
biokatalizatora
3.
Što je bioproces, od kojih se faza sastoji?
4.
Kako izgleda bioreaktor?
5.
Razvoj biotehnologije kroz povijest
6.
Grane biotehnologije
7.
Osnovne grupe biotehnoloških proizvoda
Principi biotehnološke proizvodnje hrane
Pitanja za ponavljanje – 2. predavanje – hranjive podloge
1. Kako sastaviti hranjivu podlogu, o čemu to ovisi?
2. Podjela hranjivih podloga po kem. sastavu, njihove prednosti i mane?
3. Što sve uvijek sadrže hranjive podloge za mikrobni proces?
4. Podjela m.o. po načinu pridobivanja energije
5. Kada neki spoj može služiti kao izvor energije za mikrobni proces?
6. Nabrojati i opisati primarne i sekundarne sirovine kao izvore C i N!
7. Najznačajnije industrijske hranjive podloge i njihove karakteristike!
8. Što su faktori rasta i koji su njihovi izvori?
9. Što je sterilizacija, čemu služi i kako se provodi?
Ponavljanje - o mikroorganizmima
Mikroorganizmi u biotehnološkim procesima
proizvodnje hrane
Fermentacija
Spontana
Spontana
Fermentirana namirnica
kao cjepivo
Kontrolirana
- provode različiti mikroorganizmi (mješovite kulture)
prisutni u namirnici
- proizvod ima specifičan okus i miris
(autohtoni mikroorg. i proizvodi)
- neujednačene kvalitete (promjenjiva mikroflora!)
Kontrolirana fermentacija - koristi čiste kulture mikroorg.
- standardizacija proizvoda
- gubitak raznovrsnosti
… jedna vrsta…= monokultura
…ili više vrsta = mješovite kulture
Mikroorganizmi u biotehnološkim procesima
proizvodnje hrane
ČISTE KULTURE
• mikroorganizmi za bioproces - čiste kulture mikroorg.
• čista kultura - potomstvo mikroorganizama koje je nastalo
razmnožavanjem jedne stanice (na ploči – KOLONIJA)
• izoliraju se iz prirodnih staništa u kojima se oni nalaze u
mješovitim kulturama
Kolonija L. brevis
Kolonija L. plantarum
Slika. Mješovita kultura BMK prisutnih u kiselom tijestu
Mikroorganizmi u biotehnološkim procesima
proizvodnje hrane
RADNI MIKROORGANIZMI
• izoliraju se iz prirodnih staništa u kojima se oni nalaze u
mješovitim kulturama (IDENTIFIKACIJA !)
• komercijalno su dostupni u mikrobiološkim zbirkama (ATCC
- American Type Culture Collection, DSMZ - Deutsche
Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen)
• mutanti proizvedeni u laboratoriju (primjer: gen za
sintezu -galaktozidaze u kvascu S. cerevisiae)
• Za pojedine mikrobne procese – pripremljeni starteri
- Chr. Hansen's – starter kulture za mljekarstvo
- Böcker – starter kulture za kisala tijesta...
Čuvanje čistih kultura mikroorganizama
Prilikom čuvanja čistih kultura razlikujemo radne i trajne kulture
1. Na kosom hranjivom agaru (radne)
- sastav hranjive podloge prema m.o.
- čuvanje na hladnom, pri +4oC
- potrebno precjepljivanje svakih 14 – 30 dana
2. Liofilizirane kulture (trajne)
- sušenje pri niskim temperaturama
- trajnost oko 1 god.
3. Zamrzavanje pri niskim temperaturama u glicerolu (trajne)
- čuvanje na -20 oC
- trajnost oko 1 god.
Industrijski najvažniji mikroorganizmi (1)
Industrijski najvažniji mikroorganizmi (1) - primjer
BMK u prehrambenoj industriji –
mliječno kiselo vrenje
Industrijski najvažniji mikroorganizmi (2)
Industrijski najvažniji mikroorganizmi (2) – primjer 1
Saccharomyces cerevisiae - alkoholno vrenje
95%
šećera
5%
BMK
Industrijski najvažniji mikroorganizmi (2) – primjer 2
Saccharomyces cerevisiae - alkoholno vrenje - Fermentacija u tijestu
Glutenska mreža
Glutenska mreža tijekom fermentacije
Industrijski najvažniji mikroorganizmi (3)
Plijesni (filamentozni fungi)
Aspergillus sp.
Proizvodi
A. oryzae
Enzimi – amilaze,
proteaze,
pektinaze, glcoksidaza
Pencillium chrysogenum
Pencilinski antibiotici
Pencillium roqueforti
Sir (plava plijesan)
Pencillium camemberti
Pencillium candidum
Geotrichum candidum
Sir (bijele plijesni)
Rhizopus niveus
glukoamilaza
Mucor miehei
renin
Trichoderma viride
celulaza
A. niger
Enzimi u prehrambenoj industriji:
Proteaze - sirenje, omekšavanje mesa, obrada mesnog
otpada, razgradnja glutena,...
Amilaze – hidroliza škroba
Pektinaze – tehnologija voća i povrća
Industrijski najvažniji mikroorganizmi (3) – primjer 1
A. niger – proizvodnja limunske kiseline
Citrat
sintaza
Industrijski najvažniji mikroorganizmi (3) – primjer 2
A. oryzae
Okolina i rast mikroorganizama
Okolina i rast
mikroorganizama
Sastav
hranjive
podloge
Okolišni uvijeti
- prisustvo kisika
- pH vrijednost
- temperatura
- aw
-prisustvo nepoželjnih
mikroorg.
Okolina i rast
mikroorganizama
- prisustvo kisika
- pH vrijednost
S. Duraković, 1991
Okolina i rast mikroorganizama
- aw
S. Duraković, 1991
- temperatura
Okolina i rast mikroorganizama
Pri optimalnom sastavu hranjive podloge i optimalnim okolišnim uvjetima
mikroorganizmi rastu prema krivulji rasta:
S. Duraković, 1991
Kinetika rasta
No………..20No
2No……..21No
4No……..22No
8No……..23No
Nt……...2nNo
tg – generacijsko vrijeme –
vrijeme potrebno da se broj
stanica u populaciji udvostruči
μ - specifična brzina rasta
n = t/tg
Nt= No*2n
Nt= No*2t/tg
Nt/No= 2t/tg (ln)
ln Nt – lnNo=ln2*t/ tg
ln Nt=ln2/tg*t + lnNo
ln Nt= μ*t + lnNo
ln Xt = μ*t + lnXo
Kinetika rasta
Ovisnost μ o konc.
graničnog supstrata
Ovisnost μ o konc. proizvoda
koji ograničava rast
μ
μ=
μ = μmax ako je S> 10 Ks
Metabolizam ugljikohidrata
•
Ugljikohidrati – izvor energije većine
industrijskih m.o.
•
Metabolizam – ovisi o raznolikosti enzimnog
sustava radnog mo.
•
Glukoza – osnovni ugljikohidrat u metabolizmu
•
Poznata su 4 metabolička puta razgradnje Glc u m.o:
– Glikoliza (Embden-Mayerhof-Parnasov put)
– Ciklus pentoza-fosfata
– Fosfoketolazni put
– Entner-Doudorff-ov put
Glikoliza
Glc
2 piruvata
Pentoza fosfatni
put
1 riboza-5P, 3CO2
Fosfoketolazni
put
laktat, etanol, CO2
Entner-Doudorffov
put
2 piruvata
Energija
Energija
Energija
Energija
Ponoviti metaboličke puteve !!!
Metabolizam ugljikohidrata
Bakterije mliječne
kiseline
TCA
Fermentacija
mliječne kiseline
Kvasci i bak.
O2
Piruvat
Acetobacter, Erwinia
Zymomonas, Sarcina,
Propionibacterium
Clostridium propionicum
“Fermentacija
butiričkog tipa”
Clostridium
Ind. proizvodnja otapala
Alkoholna
fermentacija
Fermentacija
propionske kiseline
Fermentacija
mravlje kiseline
Mliječno-kisela fermentacija
Homofermentativni put sinteze mliječne kiseline
Mliječno-kisela fermentacija
Heterofermentativni put
sinteze mliječne kiseline
• Produkti metabolizma BMK utječu na reologiju, okus, miris, nutritivnu i
zdravstvenu vrijednost fermentiranih proizvoda- heterofermentativne BMK
“aromatična mikroflora”
* ornitin-prekursor arome 2-acetil-1-pirolina = “pečena” aroma kore kruha
** ADI pathway – arginin deaminaza put
*** branched-chain amino acid (BCAA)
Kvasac Saccharomyces cerevisiae Alkoholna fermentacija
Sekundarni metaboliti
- aerobni i anaerobni metabolizam
- kvasac se NE “prebacuje” između ta dva načina rada
- većina dostupnih šećera obično fermentira čak i u prisutnost kisika
- samo oko 5% od piruvata proizvedenog u glikolizi se metabolizira
kroz ciklus limunske kiseline
Alkoholna fermentacija
Razgradnja šećera u kvaščevim stanicama
Metabolizam
citrata
Mlijeko – 0,02% limunske kis.
Cit+ BMK – proizvođači tvari
arome- metaboliziraju citrat
diacetil i acetat – tvari arome
Propionskokiselo vrenje
3CH3CHOHCOOlaktat
Tratnik, 1998.
2CH3CH2-COO- + CH3-COO- + CO2 + H2O
propionat
acetat
tvari arome
Metabolizam
laktoze
PEP/PTS
fosfoenolpiruvat
fosfotransferazni sustav
PMS
sustav spec. permeaza
Tratnik, 1998.
Radni mikroorganizam mora zadovoljiti slijedeće
tehnološke, fiziološke i genetičke karakteristike:
1. Tehnološke - prikladan za proizvodni proces
- lako izdvajanje iz proizvoda
- kontrola procesa – samozaštita od kontaminacije
- mora se lako održavati
2. Fiziološke
- mora biti čista kultura
- mora brzo rasti i lako se umnažati
- mora proizvoditi željene metabolite što brže
- mora podnositi velike koncentracije supstrata i produkta
- ne smije biti patogen, niti proizvoditi toksine
3. Genetičke
- stabilnost osnovnih svojstava
Priprema laboratorijske čiste kulture
Kosi agar
(izolacija i identifikacija
ili zbirka mikroorganizama)
Priprema inokuluma u pogonu
Opća shema mikrobnog procesa
Lab. čista kultura
Biokemijsko inženjerstvo, 1991.
Pitanja za ponavljanje – 3. predavanje – mikroorganizmi
1. Osnovne karakteristike spontane i kontrolirane fermentacije
2. Što su čiste kulture i kako se izoliraju
3. Čuvanje čistih kultura radnih mikroorganizama
4. Koje zahtjeve mora zadovoljiti m.o da bi se mogao koristiti
kao radni m.o u biotehnološkom procesu
5. Znati nabrojati najvažnije industrijske mo. u proizvodnji
fermentirane hrane
6. Koji su optimalni okolišni uvjeti za industrijske mo.?
7. Nabrojati i opisati glavne metaboličke puteve razgradnje
ugljikohidrata
8. Objasniti važnost Cit+ bakterija i propionsko-kiselog vrenja u
fermentiranim namirnicama
9. Nacrtati opću shemu mikrobnog procesa