PROCESY PODSTAWOWE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI. PROCESY BIOTECHNOLOGICZNE W PRODUKCJI ŻYWNOŚCI.doc

PROCESY I TECHNIKI PRODUKCYJNE (PRODUKCJI ŻYWNOŚCI)

W. 9.

PROCESY PODSTAWOWE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI. PROCESY BIOTECHNOLOGICZNE W PRODUKCJI ŻYWNOŚCI

              Procesy biotechnologiczne odgrywają szczególną rolę w technologii żywno­ści, chociaż nie zawsze są one dostatecznie postrzegane i doceniane. Rolnictwo wykorzystuje do swych ce­lów produkcyjnych makroorganizmy w formie roślin uprawnych i zwierząt hodow­lanych. Przemysł spożywczy stosuje procesy biotechnologiczne, w których wykorzy­stuje się żywe drobnoustroje, enzymy oraz utajone formy życia roślin, np. w ziarnach zbóż zdolnych do kiełkowania przy otrzymywaniu słodu.             

              P r o c e s b i o t e c h n o 1 o g i c z n y w znaczeniu najogólniejszym oznacza zasto­sowanie systemów biologicznych do celów produkcyjnych i usługowych. Syste­mem biologicznym mogą być żywe organizmy, organa, tkanki, komórki, części ko­mórek, enzymy, a ostatnio i geny.

              W procesie biotechnologicznym są zespolone dwa czynniki - biologiczny i techniczny.

              Podstawy teoretyczne tego procesu tworzy biotechnologia, dział wie­dzy obejmujący zintegrowane zastosowanie nauk biologicznych i technicznych w celu technologicznego wykorzystania systemów biologicznych.

              Rozwój nauki, zwłaszcza dodatkowe możliwości jakie stworzyła inżynieria genetyczna, pozwolił na systematyczne doskonalenie również biotechnologii. Obecnie w procesach biotechnologicznych czynnikiem biologicznym „nowej genera­cji" są często nie genomy występujące w naturze, ale genomy zmienione przez człowieka i dostosowane do jego oczekiwań. 

Współcześnie biotechnologie dzieli się na:

1.      biotechnologie tradycyjne – prowadzone z użyciem naturalnych enzymów i komórek

2.      biotechnologie nowoczesne – w których wykorzystuje się szczepy drobnoustrojów lub linie komórkowe skonstruowane metodami inżynierii genetycznej oraz enzymy zmodyfikowane technikami inżynierii białka.

Charakterystyka ogólna drobnoustrojów przemy­słowych

         Drobnoustroje dzięki swoim szczególnym właściwościom pełnią ważną rolę w przemianach zachodzących w przyrodzie, jak również w procesach biotechnologicznych. Decydują o tym: duża szybkość przemiany materii, wielka różnorodność prowadzonych reakcji chemicznych i syntetyzowanych produktów oraz znaczna zmienność fizjologiczna, co pozwala na sterowanie przebiegiem procesów mikrobiologicznych przez dobór warunków środowiskowych. Cechą o szczególnym znaczeniu dla biotechnologii jest duża łatwość dokonywania zmian genetycznych u drobnoustrojów, co pozwala na uzyskanie w szczególnych warunkach zwiększoną wydajnością syntezy pożądanego produktu.

Praktyczne znaczenie posiadają cztery grupy drobnoustrojów:

-          wirusy

-          bakterie

-          grzyby

-          glony

Wirusy

Odtwarzalne cząstki z pogranicza organizmów żywych zbudowane z jednego rodzaju kwasu nukleinowego (DNA, rzadziej RNA) otoczonego ochronnym płaszczem ochronnym (kapsydem). Jego replikowanie (namnażanie) może zachodzić wyłącznie w żywej komórce gospodarza. Są więc bezwzględnym pasożytem bytującym w zwierzętach, roślinach i drobnoustrojach (fagi).

Znaczenie wirusów w biotechnologii sprowadza się do trzech aspektów:

-          mogą być namnażanie w procesach biotechnologicznych w celu wytworzenia szczepionek dla ludzi oraz zwierząt

-          powodują trudne do zwalczenia infekcje w procesach biotechnologicznych

-          wykorzystywane są w inżynierii genetycznej do konstruowania tzw. wektorów służących w transgenice do wprowadzenie obcego genu do komórki biorcy

Bakterie

W obrębie bakterii występują bakterie gramdodatnie oraz gramujemne. Różnica między tymi grupami bakterii sprowadza się do odmiennej budowy błon komórkowych. Zdecydowana większość bakterii o znaczeniu przemysłowym to gatunki gramdodatnie.

Bakterie kwasu mlekowego (Lactobacillus, Streptococcus). Ich biotechnologiczne znaczenie wynika ze zdolności do beztlenowego metabolizmu cukrów z wytwarzaniem kwasu mlekowego jako końcowego produktu fermentacji. Ta cecha wykorzystywana jest w przemyśle mleczarskim (fermentowane napoje mleczne, sery), w produkcji fermentowanych przypraw spożywczych, przy kiszeniu żywności pochodzenia roślinnego, przygotowywaniu niektórych przetworów mięsnych, produkcji kiszonek paszowych, otrzymywaniu czystego kwasu mlekowego oraz niektórych polisacharydów.  Bakterie kwasu mlekowego wykazują też aktywność proteolityczną, co przyczynia się do częściowej degradacji białek w produktach mlecznych i ułatwia procesy trawienia.

Grupa tzw. bakterii przetrwalnikujących (Bacillus, Clostridium) posiada zdolność do syntezy licznych enzymów znajdujących zastosowanie przemysłowe (rozkładających węglowodany), a także antybiotyków i insektycydów.

Promieniowce, bakterie tworzące twory wielokomórkowe (Streptomyces) mają zdolność do biosyntezy substancji o właściwościach antybiotycznych.

Bakterie fermentacji alkoholowej. Bakterie beztlenowe (Zymomonas mobilis) zdolne do rozkładu cukrów oraz produkcji etanolu. Bakterie wyizolowano z fermentującego soku agawy.

Bakterie metylotroficzne. Opisane przy poszukiwaniach tanich surowców do produkcji białka paszowego jednokomórkowców (single-cell protein, SCP).  Syntetyzują metanol i formaldehyd.

Bakterie metanogenne (najczęściej mieszanina kilku gatunków bakterii). Przekształcają związki organiczne do metanu i CO2.

Bakteria Escheria coli. (gramujemna) Najlepiej zbadany organizm jednokomórkowy. Bakteria stała się obiektem przemysłowego wykorzystania w tzw. nowoczesnej biotechnologii i po manipulacjach genetycznych jest w stanie syntetyzować szereg związków, w tym o działaniu antybiotycznym (acylaza penicylinowa, kwas L-asparaginowy).

Grzyby

Organizmy cudzożywne jedno- i wielokomórkowe o bardziej, niż bakterie, złożonej budowie komórek.

Drożdże fermentacji etanolowej (Saccharomyces). Rozwój zachodzi zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych

Znaczenie biotechnologiczne mają również drożdże z rodzaju Candida. Wykorzystywane do produkcji białkowych preparatów paszowych i spożywczych. Niektóre gatunki są zdolne do nadprodukcji szeregu metabolitów, np. kwasu cytrynowego.

Glony

Jedno- i wielokomórkowce zdolne do fotosyntezy. Uzyskiwany jest od nich np. agar, alginiany. Wysoka sprawność energetyczna – wykorzystują 20% energii słonecznej (rośliny lądowe 2%). Możliwość uzyskiwania biomasy. Znaczenie dla biotechnologii, jak na razie teoretyczne.

              Procesy biotechnologiczne stosowane w przemyśle spożywczym można podzielić na trzy grupy:

              A. Procesy biosyntezy masy komórkowej;

B. Procesy fermentacji i innych szlaków metabolicznych;

C. Procesy enzymatyczne.

              Pierwsze dwie grupy procesów wymagają żywych komórek, trzecia grupa ka­talizatorów biologicznych (enzymów) działających z reguły poza komórką, która je wytwarza.              

              Żywą komórkę można tu traktować jako mikroreaktor o bardzo skompliko­wanej budowie, który sam pobiera surowce, czerpie z nich energię i przetwarza w produkty, a ponadto ma zdolność regenerowania się i powielania. Pobrany z zewnątrz pokarm włączony zostaje w całokształt przemian biochemicznych i wiązanych z nimi przemian energii zachodzących ciągle w żywej komórce i określanych jako przemiana żywej materii albo metabolizm.

A.    Biosynteza masy komórkowej

              Produkcja masy drobnoustrojowej w coraz większym stopniu wysuwa się na czoło perspektywicznych zadań w technologii żywności. Charakteryzuje się ona wybit­ną przewagą przemian metabolicznych typu syntetycznego -anabolicznych (zwią­zanych z budową nowych komórek) nad przemianami typu rozkładu - katabolicz­nymi. Tempo przyrostu biomasy zależy od szybkości rozmnażania się, która u drobnoustrojów jest bardzo duża.

              W produkcji biomasy dąży się do otrzymania jak największego plonu komórek o jak najlepszych cechach użytkowych biomasy.

a)     Produkcja drożdży

              Produkcja drożdży piekarskich jest typowym, od dawna stosowanym w skali przemysłowej, przykładem wytwarzania biomasy. Masa drożdżowa wykorzystywana jest w piekarnictwie, cukiernictwie, stanowi źródło białek i witamin (z grupy B) zarówno dla ludzi, jak i dla zwierząt. Skład chemiczny drożdży prasowanych jest następujący: 70-75% stanowi woda, a 25-30% sucha masa, w której 40-50% stanowią substancje białkowe, 40% - cukry, 1-2% - tłuszcze i 6-8% - składniki mineralne.

              Bardzo ważne gospodarczo drożdże szlachetne, występują w licznych hodowanych odmianach i wykorzystywane są na szeroką skalę przy produkcji piwa - drożdże piwne (odmiany Saccharomyces cerevisiae oraz Saccharomyces carlsbergensis), wina - drożdże winne (Saccharomyces ellipsoideus) oraz w piekarnictwie - drożdże piekarnicze (szczepy Saccharomyces cerevisiae). Inne gatunki wywołują fermentację mleka, np. drożdże kefirowe (Saccharomyces_ fragilis) lub drożdże kumysowe (Saccharomyces kumys).

              Podstawowym surowcem do produkcji drożdży piekarskich jest obecnie melasa buraczana wzbogacona w związki mineralne, tj. sole fosforowe i azotowe oraz odpowiednio dokwaszona kwasem siarkowym. Wprowadza się ją w postaci silnie rozcieńczonego wodnego roztworu, czyli tzw. brzęczki, do kadzi fermentacyjnej.

              Produkcję drożdży rozpoczyna się w laboratorium, gdzie w warunkach sterylnych rozmnaża się czystą kulturę drożdży Saccharomyces cerevisiae (szczep ten odznacza się dużą siłą podnoszenia ciasta), którą następnie przenosi się do uprzednio przygotowanej brzeczki. Hodowlę masy komórkowej prowadzi się w kilku etapach, w warunkach silnego napowietrzania podłoża, co sprzyja rozmnażaniu się drożdży. Hodowla drożdży musi odbywać się w warunkach sterylnych, aby nie nastąpiło zakażenie obcą mikroflorą.

b)     produkcja biomasy bakteryjnej

              Również bakterie mogą stanowić źródło cennych składników pokarmowych dla ludzi czy zwierząt. Dodatkowo, wykorzystanie bakterii do produkcji biomasy zapewnia bardzo szybki przyrost masy komórkowej (4-krotnie szybszy niż u drożdży). Jako podłoża mogą być wykorzystywane różnego typu odpadowe związki organiczne. Wykorzystanie bakterii do produkcji biomasy stanowi ciągle jeszcze potencjalny kierunek rozwoju biotechnologii.

c)      produkcja biomasy pleśniowej

              Biosynteza grzybni pleśniowej stanowi potencjalne źródło surowca dla potrzeb przemysłu spożywczego oraz paszowego. Masy pleśniowe wykorzystywane są dla produkcji antybiotyków. W mniejszym stopniu jako źródło białek i witamin

d)     produkcja glonów

              Glony są potencjalnym źródłem białek. Techniki bioreaktorowe pozwalają na wysokoefektywną produkcję glonów. Jak na razie biomasa glonów znajduje zastosowanie w przemyśle kosmetycznym, przy produkcji niektórych barwników (fikocyjan). Glony mogą służyć do oczyszczania ścieków z przemysłu spożywczego.

B.     Procesy fermentacyjne

              W znaczeniu mikrobiologicznym i biochemicznym termin fermentacja jest używany w celu określenia procesu beztlenowego zdobywania energii przez drobnoustroje. W znaczeniu praktycznym do procesu fermentacji zalicza się też niektóre tlenowe  przemiany bakterii oraz drożdży.

              Fermentację wykorzystuje się w technologii żywności do:

-          przetwarzania surowców spożywczych

-          modyfikowania i utrwalania żywności

-          otrzymywania składników odżywczych, enzymów, alkoholi, kwasów organicznych i barwników

Rozróżniamy:

a)     fermentację alkoholową

Proces beztlenowego rozkładu cukrów zachodzący przy udziale drożdży (Saccharomyces cerevisiae) przebiegający z uwalnianiem alkoholu i CO2.

b)     fermentacje kwasu mlekowego

Proces przebiega z udziałem bakterii kwasu mlekowego (Lactobacillus czy Lactococcus) i prowadzi do przekształcenia cukrów w kwas mlekowy (plus niewielkie ilości kwasu octowego oraz etanolu). Obecność kwasu mlekowego zmienia smak potraw oraz działa konserwująco.

c)      fermentacja octanowa

Polega na biologicznym (Acetobacter) utlenianiu etanolu (w obecności tlenu) do kwasu octowego. Produkcja octu (działanie konserwujące. Kierunek zmian biochemicznych może być bardziej złożony i prowadzić do np. do syntezy kwasu L-askorbinowego.

d)     fermentacja propionianowa

Beztlenowy rozkład cukrów lub kwasu mlekowego (oczka w serach dojrzewających)

e)      fermentacja metanowa

Rozkład związków organicznych w warunkach beztlenowych przebiegający z uwalnianiem metanu. Biologiczne oczyszczanie ścieków.

f)       fermentacja kwasu masłowego

W warunkach beztlenowych (Clostridium) powstaje kwas masłowy (rozkłada pektyny – odsłanianie włókien lnu). W żywności proces szkodliwy (psucie serów)  a nawet niebezpieczny (silne toksyny).

g)     fermentacja cytrynianowa

Pleśnie (Aspergilus) produkują kwas cytrynowy.

C.    Zastosowanie enzymów

              Przemysł spożywczy wykorzystuje do swych celów dość powszechnie enzymy po­chodzenia zwierzęcego, roślinnego i mikrobiologicznego, tak w postaci surowej (np. wysuszony i rozdrobniony słód lub odpowiednio spreparowane całe komórki drob­noustrojów), jak i w formie preparatów zawierających enzymy o różnym stopniu oczyszczenia.

Enzymy wykorzystywane w procesach biotechnologicznych:

Enzymy sacharolityczne

a) Amylazy

              Mianem tym określa się zespół enzymów katalizujących przemianę skrobi i glikoge­nu do cukrów prostszych - maltozy (i niekiedy do glukozy). Od zamierzchłych cza­sów amylazy są wykorzystywane pod postacią słodu, tj. odpowiednio skiełkowa­nych ziarn zbożowych, zwykle jęczmienia, poddanych przed użyciem zmiażdżeniu (zgnieceniu).

              W bieżącym stuleciu, zwłaszcza w ostatnich kilkunastu latach, zamiast słodu coraz częściej stosuje się p r e p a r a t y  a m y l o l i t y c z n e pochodzenia pleśniowe­go, o wyższej aktywności od słodu i pozwalające w sposób szybszy, dokładniejszy i tańszy (od dawnych klasycznych metod) realizować procesy scukrzania skrobi.

              Amylazy znajdują zastosowanie:

1)     w gorzelnictwie rolniczym - przy zacieraniu i cukrowaniu surowców skro­biowych, głównie ziemniaków, żyta

2) w browarnictwie - przy scukrzaniu skrobi zawartej w samym słodzie, w wyniku czego otrzymuje się brzeczkę, która po dochmieleniu stanowi właściwy substrat do fermentacji alkoholowej w procesie wyrobu piwa;

3) w piekarstwie - w celu wytworzenia pewnych ilości cukrów ze skrobi w cieście, co ułatwia fermentację ciasta (zwiększając pulchność pieczywa) oraz przedłuża świeżość pieczywa;

4) w przetwórstwie krochmalniczym, przy modyfikowaniu cech fizycznych mączki ziemniaczanej oraz, niekiedy, przy produkcji syropów;

              5) w produkcji różnego typu odżywek, szczególnie dla dzieci;

6) w cukiernictwie do hydrolizy odpadów cukierniczych i uzyskiwania z nich cukru.

              Najważniejsze amylazy to beta-amylaza i alfa-amylaza.

b)  S a c h a r a z a albo beta-D-fruktozydaza powoduje hydrolizę dwucukru sacharo­zy do glukozy i fruktozy oraz trójcukru rafinozy do `fruktozy i dwucukru melibiozy. Otrzymuje się ją głównie z drożdży Saccharomyces cerevisiae. Enzym ten może być stosowany w produkcji cukierniczej, do przygotowania syropów cukru inwertowa­nego używanego do wyrobu sztucznego miodu, cukierków, marmolad, konfitur, li­kierów- itp.

c)   L a k t a z a albo beta-galaktozydaza jest enzymem hydrolizującym beta-D-galakto­zydy, w tym również laktozę - dwucukier występujący w mleku. Jest on rozpo­wszechniony tak w świecie zwierzęcym, jak i roślinnym. Znajduje zastosowanie w przemyśle mleczarskim, fermentacyjnym, w produkcji odżywek dla niemowląt. W wyniku enzymatycznej hydrolizy laktozy w mleku lub w serwatce zapobiega się grubej krystalizacji tego cukru w zgęszczonym mleku słodzonym, w lodach mlecz­nych, zwiększa się przyswajalność cukru mlekowego przez osoby nie wytwarzające dostatecznej ilości laktazy (nietolerancja laktozy), modyfikuje się procesy fermenta­cji laktozy i osiąga pełniejsze wykorzystanie serwatki (np. do produkcji etanolu, wina serwatkowego, komponentów paszowych).

 ...