Principi biotehnološke proizvodnje hrane

1. 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

2. Pitanja za ponavljanje – 1. predavanje • Definicija biotehnologije • Podjela biotehnoloških procesa s obzirom na vrstu biokatalizatora • Što je bioproces, od kojih se faza sastoji? • Kako izgleda bioreaktor? • Razvoj biotehnologije kroz povijest • Grane biotehnologije • Osnovne grupe biotehnoloških proizvoda

3. Principi biotehnološke proizvodnje hrane • Pitanja za ponavljanje – 2. predavanje – hranjive podloge • Kako sastaviti hranjivu podlogu, o čemu to ovisi? • Podjela hranjivih podloga po kem. sastavu, njihove prednosti i mane? • Što sve uvijek sadrže hranjive podloge za mikrobni proces? • Podjela m.o. po načinu pridobivanja energije • Kada neki spoj može služiti kao izvor energije za mikrobni proces? • Nabrojati i opisati primarne i sekundarne sirovine kao izvore C i N! • Najznačajnije industrijske hranjive podloge i njihove karakteristike! • Što su faktori rasta i koji su njihovi izvori? • Što je sterilizacija, čemu služi i kako se provodi?

4. Ponavljanje - o mikroorganizmima

5. Mikroorganizmi u biotehnološkim procesima proizvodnje hrane Spontana - 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

6. 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

7. 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...

8. Čuvanje čistih kultura mikroorganizama Prilikom čuvanja čistih kultura razlikujemo radne i trajnekulture 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.

9. Industrijski najvažniji mikroorganizmi (1)

10. Industrijski najvažniji mikroorganizmi (1) - primjer BMK u prehrambenoj industriji – mliječno kiselo vrenje

11. Industrijski najvažniji mikroorganizmi (2)

12. Industrijski najvažniji mikroorganizmi (2) – primjer 1 Saccharomyces cerevisiae - alkoholno vrenje 95% šećera 5% BMK

13. Industrijski najvažniji mikroorganizmi (2) – primjer 2 Glutenska mreža Saccharomyces cerevisiae - alkoholno vrenje - Fermentacija u tijestu Glutenska mreža tijekom fermentacije

14. Industrijski najvažniji mikroorganizmi (3) Enzimi u prehrambenoj industriji: Proteaze - sirenje, omekšavanje mesa, obrada mesnog otpada, razgradnja glutena,... Amilaze – hidroliza škroba Pektinaze – tehnologija voća i povrća

15. Industrijski najvažniji mikroorganizmi (3) – primjer 1 A. niger – proizvodnja limunske kiseline Citrat sintaza

16. Industrijski najvažniji mikroorganizmi (3) – primjer 2 A. oryzae

17. Okolina i rast mikroorganizama Sastav hranjive podloge Okolišni uvijeti • - prisustvo kisika • - pH vrijednost • - temperatura • - aw • prisustvo nepoželjnih • mikroorg. Okolina i rast mikroorganizama

18. Okolina i rast mikroorganizama - prisustvo kisika • pH vrijednost S. Duraković, 1991

19. Okolina i rast mikroorganizama - aw S. Duraković, 1991 - temperatura

20. Okolina i rast mikroorganizama Pri optimalnom sastavu hranjive podloge i optimalnim okolišnim uvjetima mikroorganizmi rastu prema krivulji rasta: S. Duraković, 1991

21. Kinetika rasta No………..20No 2No……..21No 4No……..22No 8No……..23No Nt……...2nNo 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 tg – generacijsko vrijeme – vrijeme potrebno da se broj stanica u populaciji udvostruči μ - specifična brzina rasta ln Xt = μ*t + lnXo

22. 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

23. 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 Ponoviti metaboličke puteve !!!

24. Metabolizam ugljikohidrata Bakterije mliječne kiseline Fermentacija mliječne kiseline TCA Kvasci i bak. Acetobacter, Erwinia Zymomonas, Sarcina, O2 Alkoholna fermentacija Piruvat Propionibacterium Clostridium propionicum Fermentacija propionske kiseline “Fermentacija butiričkog tipa” Clostridium Fermentacija mravlje kiseline Ind. proizvodnja otapala

25. Mliječno-kisela fermentacija Homofermentativni put sinteze mliječne kiseline

26. Mliječno-kisela fermentacija Heterofermentativni put sinteze mliječne kiseline

27. 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)

28. 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

29. Razgradnja šećera u kvaščevim stanicama Alkoholna fermentacija

30. Metabolizam citrata Mlijeko – 0,02% limunske kis. Cit+ BMK – proizvođači tvari arome- metaboliziraju citrat diacetil i acetat – tvari arome Propionsko- kiselo vrenje Tratnik, 1998. 3CH3CHOHCOO- 2CH3CH2-COO- + CH3-COO- + CO2 + H2O propionat acetat laktat tvari arome

31. Metabolizam laktoze PEP/PTS fosfoenolpiruvat fosfotransferazni sustav PMS sustav spec. permeaza Tratnik, 1998.

32. 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

33. Priprema laboratorijske čiste kulture Kosi agar (izolacija i identifikacija ili zbirka mikroorganizama)

34. Priprema inokuluma u pogonu

35. Opća shema mikrobnog procesa Lab. čista kultura Biokemijsko inženjerstvo, 1991.

36. Pitanja za ponavljanje – 3. predavanje – mikroorganizmi • Osnovne karakteristike spontane i kontrolirane fermentacije • Što su čiste kulture i kako se izoliraju • Čuvanje čistih kultura radnih mikroorganizama • Koje zahtjeve mora zadovoljiti m.o da bi se mogao koristiti kao radni m.o u biotehnološkom procesu • Znati nabrojati najvažnije industrijske mo. u proizvodnji fermentirane hrane • Koji su optimalni okolišni uvjeti za industrijske mo.? • Nabrojati i opisati glavne metaboličke puteve razgradnje ugljikohidrata • Objasniti važnost Cit+ bakterija i propionsko-kiselog vrenja u fermentiranim namirnicama • Nacrtati opću shemu mikrobnog procesa