Transcript Kvasci su bez dvojbe kvantitativno i ekonomski najvažnija

Proizvodnja i primjena
prehrambenog i krmnog kvasca
te proizvoda iz kvasca
Izv. prof. dr. sc. Jasna Mrvčić
•
Kvasci - kvantitativno i ekonomski
najvažnija skupina mikroorganizama
iskorištavana od čovjeka
•
Najveća količina kvaščeve biomase
konzumira se kao pekarski kvasac s
kruhom i ostalim pekarskim proizvodima
•
Značajna količina kvaščeve biomase - kao
dodatak drugim prehrambenim proizvodima
Rodovi: Saccharomyces,
Kluyveromyces i Candida
Pekarski kvasac (S. cerevisiae)
= aktivna kvaščeva biomasa za primjenu u pekarstvu
Prehrambeni kvasac
= inaktivna biomasa pekarskog, pivskog i kvasca uzgojenog na sirutki
Krmni kvasac
= aktivna ili inaktivna biomasa pekarskog, pivskog i kvasca uzgojenog na
drugim sirovinama, nešto lošije kvalitete, aditiv u različitim krmnim
smjesama za prehranu životinja
 Stanice kvasca
- 45-55% proteina
- vitamini B skupine
Proizvodnja prehrambenog
i krmnog kvasca
Proizvodnja prehrambenog kvasca
 Nusproizvod u
proizvodnji alkohola
 Zaseban proces
Nusproizvod u proizvodnji alkohola, piva, vina
Separacija komine
• Separacija - 3 stupnja
• Ispiranje kvaščeve biomase - nakon 1. stupnja s vodom iz 3. separatora
- nakon 2. stupnja s čistom vodom
• Višak kvaščeve biomase – proizvodnja suhog inaktivnog kvasca
(PREHRAMBENI KVASAC)
Nusproizvod u proizvodnji alkohola
Proizvodnja prehrambenog kvasca
1 – posuda za miješanje
2 – vakuum-filter
3 – posuda za termolizu
4 – predgrijač
5 – sušnica s valjcima
6 – transporter
7 – posuda za skladištenje
8 - vaga
PREHRAMBENI KVASAC
(KRMNI)
Proizvodnja krmnog kvasca na polisaharidnim sirovinama – zaseban proces
•
Škrobne sirovine - otpatci iz prerade rajčice, krumpira, žitarica, hrane, otpaci iz
proizvodnje tjestenine, riže i sl.
•
Najpoznatiji proces "Symba" (Švedska, 70. g. prošlog st. – era “SCP”)
•
Symba - simbiotska zajednici brzorastuće Candida utilis i kvasca Endomycopsis
fibuliger koji provodi hidrolizu škroba. Nastale jednostavne šećere koriste oba kvasca
za rast stanica.
Symba proces
“SCP” Single Cell Protein ≈ 1960.g
Kvasci: Candida, Hansenula, Pitchia,
Torulopsis i Saccharomyces
Alge: Spirulina
Bakterije: Cellulomonas , Alcaligenes
Fungi: Trichoderma, Fusarium, Rhizopus
“SCP” Single Cell Protein ≈ 1960.g
Kvaščeve stanice:
- udvostručuju svoju biomasu u vrlo kratkom vremenu (1 – 3 sata)
- visoki enzimni potencijal, koriste razl. sekundarne sirovine za svoj rast
- čiste ili mješovite kulture kvasaca (Kluyveromyces +Saccharomyces )
PROIZVODNJA PREHRAMBENOG I KRMNOG KVASCA
SIROVINE
- konvencionalni supstrati - melasa, sirutka, škrob, otpadni dijelovi voća
i povrća, drvo, slama i sl. poljoprivredni, šumarski ili prehrambeni
nusprodukti
- nekonvencionalni supstrati - naftni derivati, prirodni plin, etanol,
metanol
- otpadne vode podrijetlom iz prehrambene industrije – sirutka,
sirovina koja se još uvijek ispušta u vodotokove i uzrokuje znatne
ekološke probleme (visoke KPK i BPK5 vrijednosti); melasna đibra značajno je sa stajališta prehrambene industrije i ekologije
Proizvodnja prehrambenog kvasca na sirutki
•
sirutka - bogat supstrat za uzgoj mikroorganizama
(laktoza, mineralne tvari, vitamini)
•
podloga za uzgoj kvaščeve biomase na sirutki zahtjeva dodatak izvora dušika,
fosfora i tvari rasta (DAS, DAF, kvaščev ekstrakt ili CSL)
•
Mikroorganizmi za fermentaciju sirutke:
kvasci iz roda Kluyveromyces (K. marxianus i K. lactis)
•
kvasac S. cerevisiae – predhodna razgradnja laktoze pomoću galaktozidaze ili
korištenje genetički modificiranih sojeva (ugrađen gen za proizvodnju enzima
β-D-galaktozidaze)
•
Procesi su visoko aerobni
•
proteini sirutke - pjene se tijekom aeracije, potrebno ih je izdvojiti kiselinskom
ili toplinskom koagulacijom ili ultrafiltracijom - proteini sirutke visokovrijedni
prehrambeni proizvodi
Proizvodnja kvaščeve biomase na nekonvencionalnim supstratima
• Kvasci koji asimiliraju metanol - rijetki i slabo istraženi - metilotrofni
kvasci - Pichia pastoris, Pichia methanolica, Pichia angusta (Hansenula
polymorpha), Pichia lindnerii, Candida methanolica i Torulopsis labrata
• Metilotrofni kvasci - metanol čist i lako asimilirajući izvor ugljika, ali
toksičan i hlapljiv (YP/S= 0,36 - 0,42 g/g)
• Pichia pastoris - proizvodnja rekombinantnih proteina
Proizvodnja kvasaca na n-alkanima
• 1960-tih godina su intenzivno studirani C. tropicalis, C. oleophia i
Yarrowia lipolytica.
• British Petroleum je u Engleskoj razvio procese u velikom mjerilu. S
pomoću C. lipolytica na ugljikovodicima proizvodili su 16 000 t/ god.
proteina pod nazivom "Toprina“.
• Nedostatci procesa:
– slaba topivost ugljikovodika u vodi
– slaba topivost kisika u podlozi (visoki troškovi aeracije i hlađenja)
– loša kvaliteta kvaščeve biomase (kancerogene tvari koje se nisu
mogle isprati s kvaščevih stanica standardnim metodama)
Proizvodnja lipidnih kvasaca
• Lipidi u kvaščevoj biomasi 7–15 % na s. tv. ( «fat yeasts» - 30 - 40 % lipida)
• Rhodosporidium sp., Rhodotorula sp. i Lipomyces.
• Proizvodnja dugolančanih MK i ceramida - farmaceutske i terapeutske
namjene
• U novije vrijeme - proizvodnja «mikrobnog ulja», analognog konvencionalno
proizvedenom ulju iz uljarica za biodizel
• Za razliku od ulja iz uljarica ova proizvodnja ne zahtjeva zauzimanje
poljoprivrednih površina potrebnih za proizvodnju hrane
Primjena prehrambenog
kvasca
Način korištenja prehrambenog kvasca:
 Inaktivne cijele stanice
 Topivi dio stanice (odstranjena stanična
stijenka)
 Ekstrahirane komponente (nukleotidi,
glukan...)
3 osnovna razloga primjene:
 Poboljšanje okusa i mirisa
 Povećanje nutritivne vrijednosti
proizvoda
- 45-55% proteina
- vitamini B skupine
 Tehnološki razlozi
1. Poboljšanje okusa i mirisa
5 okusa:
1.
Slatko
2.
Slano
3.
Kiselo
4.
Gorko
5.
Umami
- “priznat” 1984. godine
- umami je okus koji potječe od
glutaminske kiseline (E620-E625)
i nekih nukleotida
Glutaminat se koristi:

Kobasice, paštete

Umaci

Juhe

Snack proizvodi
Nezadovoljstvo kupaca, neuklapanje u “zdravu prehranu”...
nužna zamjena
Rješenje:
•
Inaktivni kvasac – također “umami” okus
•
U većini zemalja moguće deklarirati bez deklariranja glutaminata (“kvaščev
autolizat”, “kvaščev ekstrakt”..)
•
Djelomično zamijenjuje sol (korisno)
•
Ako sadrži i nukleinske kiseline, također doprinos okusu
•
Poboljšava okuse:
- meso
- sir
- gljive
- tjestenina
2. Povećanje nutritivne vrijednosti proizvoda
Tablica 1. Udio osnovnih sastojaka u prehrambenom kvascu
Vlaga
2-5 %
Ukupni proteini (N x
6,25)
50-52 %
Proteini
42-46 %
RNA i DNA
6-8 %
Minerali
7-8 %
Ukupni lipidi
4-7 %
Ugljikohidrati
30-37 %
Kvaščevi proteini – nutritivno visokovrijedni - puno lizina, leucina i fenilalanina, a
malo aminokiselina sa sumporom
Preveliki udio nukleinskih kiselina (NK, giht!)
Nakon ekstrakcije proteinski preparati sadrže svega 1-2 % NK.
VITAMINI
• Vitamini - organski spojevi prisutni u svim živim
organizmima, nužni za normalno funkcioniranje
stanica.
• Organizmi ih ne mogu sami sintetizirati - mora
ih se unijeti u organizam hranom ili hranjivim
supstratima.
• kvaščeva biomasa sadrži velike količine vitamina
B skupine: B1 (tiamin), B2 (riboflavin), B3
(niacin), B5 (pantotenska kis.), B6 (piridoksin), B9
(folna kis.), B7 (H, biotin)
• Potrebno je naglasiti da kvasci ne sadrže vitamine topive u mastima (A, D,
E i K), vitamin C te vitamin B12
MINERALI
•
•
Kvaščeva biomasa sadrži oko 8 % pepela (na s.tv)
U njemu su prisutni makroelemenati (K, P, Ca, S, Mg)
i mikroelemenati (Zn, Cu, Mn, Co, Se, Cr)
• FDA - u 20 g s.tv. kvasca - maksimalna dozvoljena dnevna dozakoličina minerala je dovoljna za zadovoljavanje dnevne potrebe minerala.
Nedostatak
mikroelemenata:
Mn ≈ 50%
Fe ≈ 40%
Se ≈ 40%
Zn ≈ 30%
Cr ≈ 20%
Cu ≈ 10%
Tablica 3. Udio esencijalnih mikroelemenata u organizmu stanovnika R Hrvatske, dobiven analizom kose 930
ispitanih Hrvata iz šest najvećih hrvatskih gradova (Momčilović, 2007)
UGLJIKOHIDRATI
• Količina i sastav ugljikohidrata - ovise o uvjetima uzgoja
• 1/4 - 1/3 suhe tvari kvaščeve biomase - u obliku polisaharida
• Najveći dio ugljikohidrata smješten je u staničnom zidu - 75 %
• Najznačajniji polisaharidi staničnog zida su glukan i manan te manje
zastupljeni hitin
• Trehaloza – prehrambeni aditiv – zamjena za saharozu, aroma,
zadržava vlagu, zaštita biomolekula kod smrzavanja i sušenja
• Uloga polisaharida kvasaca, prije svega β-glukana, u zaštiti zdravlja i
prehrambenoj industriji tema je mnogih znanstvenih studija
Povećanje nutritivne vrijednosti proizvoda
…povijest, sadašnjost, budućnost…
• Početak 20. stoljeća - mogućnost korištenja kvaščeve biomase u ishrani
ljudi i životinja
• Njemačka (Max Delbrücki ) je tijekom I i II svj. rata više od polovice
potrebnih proteina zamijenila kvaščevom biomasom
• Do 80-tih godina – veliki interes (“jednostanični proteini”, “SCP”)
• Nakon osamdesetih g. 20 st. svjetska politika pogodovala je razvoju
poljoprivrede - gašenja industrijskih pogona za proizvodnju mikrobne
biomase
• 2000 g. nedostatak proteina u svijetu oko 18 milijuna tona (FAO). Ta
količina proteina nenadoknadiva uzgojem životinja i biljnih kultura (dio
zemljišta – biogoriva!)
• Brzi porast svjetske populacije - pronalaženje alternativnih riješenja
3. Tehnološki razlozi
Svojstva kvaščevih proteina:
 Hidratacijska - upijanje i zadržavanje vode
 Strukturna - geliranje, koagulacija, lipidna interakcijavažno svojstvo za povezivanje komponenti s visokim
udjelom masti u mesnim prerađevinama
 Organoleptička – aroma, tekstura- mesni okus - zamjena
za meso (0,5-5%) u različitim mesnim prerađevinama
(cijena proizvoda!)
Krmni kvasac – izvor proteina i vitamina B ali i izvor
mikroelemenata, nukleotida, poboljšivača okusa, imunomodulatora,
prebiotika, adsorbensa mikotoksina
• Pad interesa za antibiotske promotore rasta
• Ishrana stoke – poboljšanje rasta (proizvodnosti) i
zaštita od virusnih i bakterijskih infekcija
• Žive ili inaktivne stanice
• Mehanizam djelovanja živih stanica:
Poboljšavaju razgradnju celulozne hrane i proizvode hranjive tvari koje
potiču rast mikropopulacije rumena
Smanjuju koncentracije laktata (inhibitor baktererija rumena) i
stabilizraju pH vrijednost rumena
Troše tragove kisika u rumenu koji je toksičan za celulolitičke bakterije
rumena.
Krmni kvasac obogaćen selenom
Se – kofaktor brojnih proteina i enzima - antioksidativni enzim glutation peroksidaze
Selen je u kvaščevoj biomasi vezan kao Se - metionin ili Se – cistein
Na2SeO3
Krmni kvasac obogaćen selenom
Biološka raspoloživost organski vezanog selena (90%) je dva puta veća anorganskog
izvora selena
Se-yeast uzgoj kvasca S. cerevisiae u Se – obogaćenom mediju
PROIZVODI NA BAZI KVASCA
PROIZVODI NA BAZI KVASCA
 Proizvodi za specijalne namjene - preradom pekarskog i
prehrambenog kvasca
1. Proizvodi za poboljšanje okusa i mirisa
2. Enzimi iz kvasca
3. Bojila: tvari za bojanje prehrambenih proizvoda
4. Farmaceutski i kozmetički proizvodi
PROIZVODI NA BAZI KVASCA
1. PROIZVODI ZA POBOLJŠANJE OKUSA I MIRISA
 Kvaščev ekstrakt - koncentrat topive frakcije kvaščeve biomase (autoliza, plazmoliza,
kiselinska hidroliza svježe biomase otpadnog pivskog kvasca (odgorčavanje!)
 izvor dušika i tvari rasta u hranjivim podlogama za uzgoj mikroorganizama
 5'-mononukleotidi - okus sličan glutamatu, tzv. «umami» okus
 proizvode enzimskom hidrolizom RNA
 IMP – inozin mono fosfat
 GMP – gvanozin mono fosfat
 Autolizati - sadrže sve komponente kvaščeve biomase nakon autolize
 manje intenzivan okus i miris od ekstrakta zbog inertnog učinka stanične stijenke.
 najčešće se proizvodi iz otpadnog pivskog kvasca
 nisu potpuno topivi u vodi (stanična stijanka) - u čvrstim prehrambenim
proizvodima
PROIZVODI NA BAZI KVASCA
2. ENZIMI IZ KVASCA - komercijalna proizvodnja
 Invertaza - cijepa saharozu na glukozu i fruktozu
 proizvodi se ekstrakcijom te pročišćavanjem nakon autolize kvaščevih
stanica
 koristi se u proizvodnji nekih konditorskih proizvoda i sprečava
kristalizaciju saharoze
 Laktaza (β-galaktozidaza)- kvasci iz roda Kluyveromices i Candida
 katalizira hidrolizu mliječnog šećera (laktoze) u glukozu i galaktozu.
 koristi se u obradi mliječnih koncentrata koji se smrzavaju, radi produljenja
trajnosti, da ne dođe do kristalizacije laktoze
 Proteolitički enzimi - koriste se u proizvodnji autolizata te enzimskih preparata
 Alkohol dehidrogenaza - za komercijalnu proizvodnju - biomasa pekarskog kvasca
 proizvodi se u 2 oblika: potpuno čista - kao biokatalizator u biokemijskim
istraživanjima i nepročišćena, u obliku kvaščevih peleta
 Lipaza - najčešće se koristi u proizvodnji sira i vrhnja poboljšanog mirisa i okusa, te u
proizvodnji fermentiranih kobasica i drugih prehrambenih proizvoda za esterifikaciju
masti i ulja
Candida rugosa
PROIZVODI NA BAZI
KVASCA
3. BOJILA
- sekundarni metaboliti kvasca
 Najpoznatiji pigmentirani kvasci - iz rodova Rhodotorula, Rhodosporium,
Phaffia
 Neki kvasci iz ovih rodova proizvode mnoge pigmente: β-karoten, α-karoten,
torulen, torularhodin, plektaniaksointin i 2-hidroksi-plektanisksantin.
 Blakeslea trispora - ind. proizvodnja karotenoidnih pigmenata
 Bazidiomicetni kvasac Phaffia rhodozyma - različit od svih drugih
pigmentiranih kvasaca - proizvodi karotenoidni pigment astaksantin ishrana riba
 Karotenoidi: bojila, prekursori vitamina A, antioksidansi
PROIZVODI NA BAZI KVASCA
4. FARMACEUTSKI I KOZMETIČKI PROIZVODI
 Kožni respiracijski faktor
 Glukan - netopivi dio kvaščeve biomase, koji zaostaje pri
komercijalnoj proizvodnji kvaščevog ekstrakta - stanična stijenka
(glukan, manan, hitin i proteini)
 Primjena - prehrambena industrija
 ugušćivač (sredstvo za bubrenje)
 umjesto masnoća u prehrambenim proizvodima niske
energetske vrijednosti
 veliki kapaciteta vezanja vode - aditiv u proizvodnji
kobasica, hrenovki i nekim drugim mesnim
proizvodima.
 Primjena - farmaceutska industrija
 β-1,3 glukan - pozitivan učinak na imuniteta,
 djelotvorniji od onog izoliranog iz žitarica
 Hormoni: inzulin (humani), glukagon i somatropin
 Glikoproteini - interferoni, granulocitni makrofag
 S-adenozil L-metionin (SAMe ili AdoMet), univerzalni metil donor u staničnom
metabolizmu, u liječenju ciroze jetre, poremećajima živčanog sustava (depresija, migrenska
glavobolja) i osteoartritisa