METODY PRZECHOWYWANIA I UTRWALANIA BIOPRODUKTÓW SUSZENIE PODSTAWY TEORETYCZNE CZ.1

Transkrypt

1 METODY PRZECHOWYWANIA I UTRWALANIA BIOPRODUKTÓW SUSZENIE PODSTAWY TEORETYCZNE CZ.1 Opracował: dr S. Wierzba Katedra Biotechnologii i Biologii Molekularnej Uniwersytetu Opolskiego

2 Suszenie mikroorganizmów i produktów ich biosyntezy złożony proces, w którym przenoszenie masy i ciepła uzależnione jest od: właściwości struktury układów (mikroorganizm, produkt biosyntezy, fermentacji) przemian fizykochemicznych i biologicznych towarzyszących procesowi suszenia Anabioza stan okresowego, odwracalnego zatrzymania funkcji życiowych organizmu (obniżenia aktywności życiowej). Funkcje życiowe reguluje: temperatura wilgotność Aktywność wody (A w ) 0,75 0,85 (mikroorganizmy) W trakcie suszenie organizm traci wodę wolną (aktywna biologicznie)

3 Anabioza obecność tylko wody związanej w postaci uwodnionych otoczek polarnych grup substancji stanowiących szkielet żelu protoplazmy. SUSZENIE PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1 Woda związana: nie rozpuszczają się w niej substancje znajdujące w przestrzeniach wolnych struktury żelowej zatrzymanie funkcji biochemicznych niszczy lub uszkadza cienkie błony biologiczne (poniżej 1 m) Rola wody w układach biologicznych : łatwość tworzenia połączeń i porządkowania struktur stabilizacja konformacji białek rozpuszczalnik biopolimerów ważna rola w tworzeniu biomembran

4 Odporność fizjologiczna (biologiczna) związana z procesami adaptacyjnymi Odporność fizyczna (strukturalna) związana z budową poszczególnych mikroorganizmów Suszenie (odwodnienie) powoduje: usunięcie środowiska, w którym przebiegają reakcje biochemiczne zmiany strukturalne na poziomie biopolimerów, membran, organów, komórek (istotnie zmieniając odporności mikroorganizmów na działanie czynników zewnętrznych: ph, temperatura, ciśnienie, lepkość, promieniowanie itd.) Przyczyny zamierania mikroorganizmów: naruszenie błony komórkowej, denaturacja termiczna białek naruszenie stabilności transportu substancji rozpuszczalnych w wodzie wzrost lepkości środowiska Wzrost odporności mikroorganizmów na odwodnienie jest możliwy poprzez: określenie optymalnych warunków odwadniania i przechowywania preparatów mikrobiologicznych doskonalenie szczepów podwyższenie odporności kultur odwadnianych

5 Wpływ różnych czynników na odporność suszonych mikroorganizmów Wilgotność wpływ jej końcowej zawartości na jakość produktów należy rozpatrywać oddzielnie dla: produktów syntezy mikrobiologicznej ich jakość maleje wraz ze wzrostem wilgoci (końcowa zawartość nie wyższa niż 8-10%) mikroorganizmów odporność na suszenie uzależniona od: rodzaju mikroorganizmu (E. coli 37%, Streptococcus pneumonia 18%) warunków hodowli (dobór odpowiedniej substancji ochronnej)

6 Wilgotność końcowa parametr decydujący o zachowaniu zdolności życiowych mikroorganizmów podczas suszenie i przechowywania Przykłady odporności termicznej mikroorganizmów: przetrwalniki, cysty okresowe odgradzanie się układu od otoczenie otoczką komórki wegetatywne zmiana parametrów fizjologicznych i biochemicznych drożdże, grzyby zdolność do zatrzymywania wody swobodnej tworzenie symbioz (promieniowce Actinomycetes + wodorosty) korzystny wpływ na stan błon komórkowych: jonów magnezu, potasu, wapnia, trehaloza (drożdże) kationy metali dwuwartościowych, kwas dwupikolinowy (Bacillus) immobilizacja komórek na nośnikach (wzrost stabilności komórek)

7 Temperatura odporność termiczna termostabilność ważna dla określenia optymalnych warunków temperaturowych procesu suszenia, zależy od: składu i temperatury podłoża hodowlanego (sacharoza, glukoza, białka sprzyjają termostabilności) ph (maksymalna dla większości komórek w przedziale 6-7) wieku kultury składu chemicznego komórek sposobu prowadzenia hodowli (fermentacja) Podstawowym parametrem decydującym o termostabilności jest zawartość i postać wody znajdującej się w komórkach (aktywność wody - A w ): przetrwalniki woda związana / komórki wegetatywne woda swobodna wraz ze zmniejszeniem A w wzrasta termostabilność komórek

8 Krzywe kinetyczne inaktywacji cieplnej mikroorganizmów pozwalają określić temperaturę procesu suszenia i sposób dostarczania ciepła

9 Kinetyka inaktywacji bakterii Propionobacterium acnis 1-50 C 2-53 C 3-55 C 4-60 C 5-65 C

10 Kinetyka inaktywacji wirusa pryszczycy 1-60 C 2-70 C 3-80 C

11 Kinetyka inaktywacji przetrwalników Bacillus stearothermophillus F7954 w wodzie destylowanej C C C C C

12 Kinetyka inaktywacji bakteriofagów T C 2-55 C 3-60 C 4-65 C 5-70 C 6-75 C

13 Działanie mechaniczne: SUSZENIE PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1 korzystny wpływ: napowietrzanie, przyspieszenie procesów wymiany między komórka a otoczeniem) niekorzystny: denaturacja białek wytrząsanie z rozproszonymi ziarnami ciał stałego (piasek, kwarc): uszkodzenie, dezintegracja komórek Dezintegracja mechaniczna niekorzystnie wpływa na jakość suchych preparatów bakteryjnych, ale jest korzystna i celowa w otrzymywaniu produktów biosyntezy

14 Adsorpcja zależy od właściwości substancji adsorbowanej i rozpuszczalnika, oraz od struktury adsorbentu: ujemny wpływ na przeżywalność węgiel aktywny, metale pozytywny wpływa na suszenie, filtrację, zatężanie i przechowywanie: adsorbenty mineralne (filtry porcelanowe, szklane, azbestowe, zeolity) pochodzenia roślinnego (otręby pszenne, ziarna zbóż, skrobia, mąka) Przykłady stosowania sorbentów: metoda przechowywania kultur na stałych nośnikach grzyby, promieniowce, hodowla mikroorganizmów na stałych substratach Salmonella enteritidis podłoże z ziarnami zbóż C minut - podłoże bez dodatków C 0,5-1 minuta

15 ph środowiska dla większości optymalne w zakresie 6-7, odchylenia od tej wartości powodują uszkodzenia bariery osmotycznej (błony komórkowej): wyjątek Mycobacterium utrzymują aktywność w przedziale ph 1-13 Szczególne znaczenie ph podczas suszenia rozpryskowego, gdyż wpływa na lepkość roztworu. Od lepkości zależy stopień rozpylenia w suszarce, intensywność wymiany ciepła i masa kropli. Napięcie powierzchniowe jego zmiany wpływają na przebieg procesów fizjologicznych mikroorganizmów: zmiana intensywności przemian, wzrostu, podziału komórek zmiana struktury i właściwości błon komórkowych (rozerwanie) Krytyczna wartość napięcia powierzchniowego x10-3 N/m Ciśnienie: mechaniczne bez większego wpływu na przeżywalność duża odporność gazów rozpuszczonych skład atmosfery w suszarce istotnie wpływa na przeżywalność, zwłaszcza ciśnienie CO 2, O 2 osmotyczne istotny wpływa (dehydratacja komórek)

16 Właściwości fizyczne suszonych obiektów pochodzenia mikrobiologicznego decydujące o odporności fizycznej (strukturalnej) Termostabilność (odporność cieplna) - określa wrażliwość (podatność) mikroorganizmów, lub produktów ich syntezy na działanie podwyższonej temperatury w określonym czasie. Do określania tremostabilności wykorzystuje się metodę kapilarną. Termogramy zależności graficzne temperatury i czasu ogrzewania, z których można odczytać przeżywalność mikroorganizmów lub aktywność produktów biosyntezy

17

18 Termostabilność antybiotyków SUSZENIE PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1 bacytracyna gryzyna czas ogrzewania [s] : 1-5; 2-15; 3-30; 4-60; 5-300; 6-900;

19 Termostabilność wegetatwnych form bakterii Rhizobium pisum Azotobacter chroococcum czas ogrzewania [s] : 1-5; 2-15 ; 3-30; 4-60; 5-90; 6-180; 1-5; 2-30 ; 3-60; 4-300

20 Termostabilność przetrwalników bakterii Bacillus thuringiensis czas ogrzewania [s] : 1-15; 2-30 ; 3-30; 4-60; 5-300; 6-900

21 Zależność stałej szybkości reakcji inaktywacji cieplnej od temperatury: formy wegetatywne ( C) wąski zakres temperatur inaktywacji K przetrwalniki ( C) wyższa termostabilność, szerszy zakres temperatur

22 Wpływ temperatury na szybkość reakcji inaktywacji można opisać równaniem Arrheniusa 60 k Dla szybkość inaktywacji jest stała Ae E a / RT gdzie: A stała E a - energia inaktywacji [kj/mol] R stała gazowa T - temperatura 60 Dla szybkość ulega zmniejszeniu