Biotechnologia ogólna dla studentów kierunku biotechnologia PRODUKCJA BIOMASY CZ. 1

Transkrypt

1 PRODUKCJA BIOMASY CZ. 1 W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat obserwuje się na całym świecie nasilający się deficyt żywności, w szczególności białka zwierzęcego. Zapewnienie pokarmu dla stale zwiększającej się liczby mieszkańców naszej planety, a także pasz dla zwierząt hodowlanych, zaczyna stanowić coraz poważniejszy problem. Samo powiększenie areału upraw, czy wydajności rolnictwa nie wystarczy. Stąd od pewnego czasu przemysł spożywczy zaczyna poszukiwać nowych źródeł pokarmu. Jednym z nich są drobnoustroje, które odpowiednio prowadzone mogą stać się kopalnią wielu cennych składników pokarmowych. Wśród mikroorganizmów o wysokiej wartości odżywczej, jako dodatki do pasz wykorzystuje się drożdże paszowe, otrzymywane w procesach fermentacji w postaci biomasy. Skład chemiczny komórki drożdżowej ulega znacznym wahaniom, w zależności od warunków hodowli, wieku komórek i szybkości wzrostu. Teoria Finka dotycząca hodowli drożdży mówi, że 2/3 wprowadzonej do podłoża glukozy powinno przejść w biomasę. Pozostała część cukrów wykorzystywana jest przez komórki do syntezy produktów ubocznych oraz na potrzeby życiowe. Oprócz drożdży cennym źródłem składników pokarmowych są bakterie i glony, do pasz dodaje się masę z hodowli bakterii Azotobacter, wykorzystuje się także glony fotosyntezujące Chlorella i Scenedesmus. Drożdże piekarskie Drożdże piekarskie (nazywane też piekarniczymi) należą do gatunku Saccharomyces cerevisiae, ale nie zawsze pochodzą od czystej kultury jednej rasy. Może to być mieszanka trzech lub czterech ras. Dodatek drożdży do ciasta, wynoszący 2-5% w stosunku do użytej mąki, powoduje nie tylko spulchnianie ciasta. Chleb produkowany na drożdżach ma większą wartość odżywczą niż chleb pieczony na zakwasie, gdyż drożdże zawierają 50% łatwo przyswajalnego białka, kilka procent tłuszczu, a przede wszystkim witaminy: B1, B 2, B 6, B 12, PP, witaminę D oraz kwas pantotenowy, które rozkładają się tylko częściowo w procesie pieczenia. Dobre drożdże piekarskie powinny charakteryzować się: - wysoką właściwą szybkością wzrostu, - wysoką aktywnością w procesie glikolizy, - zdolnością adaptacji do szybko zmieniających się substratów w pożywce hodowlanej, - wysoką aktywnością p-fruktofuranozydazy, a-glukozydazy oraz innych enzymów przeprowadzających hydrolizę węglowodanów, - zdolnością wzrostu i syntezy eznzymów zarówno w warunkach tlenowych jak również beztlenowych, - wysoką zdolnością wykorzystania soli amonowych i fosforowych (jako źródła azotu i fosforu), - wysoką możliwością wykorzystania związków organicznych w tym cukrów, aminokwasów, kwasów organicznych oraz alkoholu i gliceryny do budowy masy komórkowej, - wysoką zawartością trehalozy, a także odpornością na zwiększone ciśnienie osmotyczne. Wszystkie wymienione powyżej cechy drożdży piekarskich decydują o ich przydatności w technologii piekarskiej. Jakość handlowych drożdży piekarskich jest określana przez wiele parametrów, m.in. trwałość przechowywania, osmotolerancyjność, odporność na niskie temperatury. Najważniejsza jest jednak aktywność fermentacyjna (siła pędna), czyli ilość dwutlenku węgla wytworzonego i zatrzymanego w cieście. Trwałość drożdży piekarskich Drożdże mają niewielką zawartość suchej masy, w związku z czym podatne na autolizę, są szczególnie w wysokiej temperaturze. Dlatego też powinny być przechowywane w temperaturze od +2 do +8ºC (jest to dla nich optymalna temperatura). Jej podwyższenie powoduje wzrost zakażenia lub lizę komórek, a ujemne temperatury przechowywania prowadzą do wymrożenia wody w wakuolach i w konsekwencji zniszczenie komórek. Drożdże miękkie w dotyku, wskazują na zaawansowane procesy autolityczne. Nieprzyjemny zapach zepsutych drożdży udziela się pieczywu. Oznaką zepsucia drożdży są: - szarożółta barwa - plamy niebieskie (pochodzenia bakteryjnego) - tłustość w dotyku - nieprzyjemny zapach (przypominaj ący klej lub rozkładaj ące się białka) Trwałość drożdży prasowanych, czyli handlowych, w temperaturze 20ºC powinna wynosić co najmniej 10 dni, a pożądana jest trwałość 14-dniowa. W temperaturze 4 C drożdże można przechowywać do 4 tygodni, po tym czasie dochodzi do zbyt dużego obniżenia ich siły pędnej. Trwałość termostatowa w temperaturze 35ºC nie może wynosić więcej niż 96 godzin. Wraz ze wzrostem zawartości substancji azotowych w komórkach drożdży wzrasta siłą pędna, czyli zdolność wytwarzania dwutlenku węgla ze znajdujących się w cieście cukrów (zarówno rodzimych, jak i tych, które powstają w wyniku enzymatycznej hydrolizy skrobi i w czasie fermentacji ciasta), maleje natomiast ich trwałość. Wysoki poziom glikogenu wyraźnie zwiększa trwałość, a podwyższona zawartość trehalozy (15-20%) ma stabilizujący wpływ na aktywność biologiczna drożdży. Trwałość i aktywność fermentacyjna drożdży są ze sobą ściśle powiązane. Istnieje związek między przyrostem azotu aminowego podczas przechowywania a ich trwałością i siłą pędną. W pierwszych 7 dniach przechowywania (w 4 C) następuje nieznaczny spadek zawartości wolnych aminokwasów, drożdże zużywają je na własne potrzeby metaboliczne. Następnie, podczas dalszego przechowywania (7 do 28 dni) obserwuje się wzrost ilości wolnych aminokwasów, wywołany działalnością wewnątrzkomórkowych enzymów proteolitycznych. Zbyt długie przechowywanie prowadzi do obniżenia siły pędnej i ich trwałości.

2 Na trwałość i aktywność biomasy komórkowej drożdży wpływają też cechy genetyczne rasy użytego szczepu S. cerevisiae, szczególnie wzajemne stosunki enzymów wewnątrzkomórkowych. Teoretycznie regulacja aktywności fermentacyjnej odbywać się może na drodze: - pobierania cukrów do komórki, - rozkładu cukrów w procesie glikolizy i fermentacji alkoholowej, - regeneracji ADP z ATP podczas glikolizy. Szczególnie wysoką aktywnością powinny charakteryzować się enzymy biorące udział w katabolizmie węglowodanów. Duże znaczenie mają p-fruktofuranozydaza i a-glukozydaza oraz enzymy występujące w mące, np. a-amylaza i p-amylaza. Mąka zawiera bardzo małą ilość cukrów prostych mogących uczestniczyć w procesie glikolizy. Powyższe enzymy są kluczowymi biokatalizatorami, decydującymi o przebiegu procesu glikolizy podczas fermentacji ciasta. Im wyższa aktywność wymienionych enzymów, tym większą siłą pędną będą charakteryzowały się drożdże piekarskie. Na trwałość znaczny wpływ ma również czystość mikrobiologiczna (stopień skażenia drożdży obcą mikroflorą, w tym pleśniami i drożdżami dzikimi). Szczególnie groźne są zakażenia drożdżami obcymi, gdyż są trudne do zwalczenia, a te komórki rozmnażają się szybciej od drożdży piekarskich i lepiej wykorzystują składniki pokarmowe z podłoża, opanowując środowisko. Zakażenia obcymi drożdżami powodują słabą aktywność i małą przydatność do wypieku chleba. Zakażenia bakteryjne (np. z wody użytej w procesie produkcji) mogą prowadzić do obniżenia jakości gotowego produktu lub naruszyć normalny proces hodowli. W efekcie Bakterie gnilne, które rozkładają komórki powodują, że biomasa zakażonych drożdży ulega rozmiękczeniu i upłynnieniu, inne bakterie prowadzą do hydrolizy białka, wytworzenia kwasów lub wydzielają duże ilości śluzów, które zlepiają masę komórkową drożdży. Natomiast zakażenia pleśniami stanowią najmniejsze zagrożenie procesów technologicznych, ze względu na kilkukrotnie dłuższy czas generacji niż u drożdży. Wymagania sensoryczne drożdży piekarskich Drożdże oprócz wymienionych powyżej cech muszą spełniać także wymagania sensoryczne i fizykochemiczne, narzucone przez odpowiednie normy. Drożdże prasowane powinny zawierać nie mniej, niż 26% suchej masy (najczęściej 27% - co oznaczamy symbolem D 27 ). Dla porównania, drożdże suszone zawierają około 92% suchej masy. W ich skład wchodzi 40 pierwiastków chemicznych. Najważniejszymi są: węgiel, tlen, wodór, azot, fosfor, potas i magnez. Stanowią one 98% suchej masy drożdży. Te właśnie pierwiastki w postaci przyswajalnej dla drożdży stanowią ich pożywienie. Głównym źródłem węgla są cukry zawarte w melasie buraczanej. Jest ona nie tylko źródłem przyswajalnego węgla organicznego, ale częściowo również związków azotowych, substancji wzrostowych i soli mineralnych. Na produkcję drożdży powinna być przeznaczona melasa najlepszej jakości i możliwie jednolita. Melasa gorszej jakości wymaga takich zabiegów, jak sterylizacja, klarowanie brzeczki melasowej, usuwanie szkodliwych składników i wzbogacanie w niezbędne dla drożdży sole mineralne. Aby zachować siłę pędną drożdży piekarskich, suszenie po produkcji musi odbywać się w stosunkowo niskich temperaturach, nie przekraczających 40ºC. Drożdże przeznaczone do suszenia powinny charakteryzować się wysoką zawartością trehalozy (dwucukier odpowiedzialny m.in. za trwałość termiczną drożdży). Żywotność drożdży dobrej jakości powinna wynosić nie mniej niż 95%. Oznacza to, że na każde 100 komórek drożdży tylko 5 może być martwych. W celu wykonania oceny barwi się przygotowany preparat błękitem metylenowym i obserwuje pod mikroskopem. Komórki martwe barwią się na niebiesko, a żywe pozostają bezbarwne. Drożdże hodowane są na melasie, a ich barwa zależy od sposobu produkcji i powinna być jak najjaśniejsza, kremowa, dopuszczalny jest odcień szary oraz zbrunatnienie krawędzi cegiełek drożdżowych wskutek ich wysychania. Smak i zapach powinien być swoisty bez posmaku gorzkiego i obcych zapachów (gł. pleśni). Dobre drożdże są w dotyku lekko ziarniste. Konsystencja powinna być ścisła, dopuszcza się zamarznięcie oraz zewnętrzną mazistość, jeżeli nie jest połączona z przykrym zapachem rozkładającego się białka. Formy handlowe drożdży piekarskich Drożdże piekarskie na potrzeby handlu produkowane są w formie świeżej lub suszonej. Prasowane drożdże piekarskie w formie świeżej biomasy komórkowej charakteryzują się wysoką aktywnością i łatwością użycia. Wadą ich jest stosunkowo szybka utrata trwałości, która nie pozwala na dłuższe magazynowanie zarówno w drożdżowni, jak i sklepach. Stąd tak znaczny rozwój technologii produkcji drożdży suszonych, które umożliwiają suszenie nadwyżek drożdży w okresie zmniejszonego popytu i magazynowanie ich w chłodniach w celu uzupełnienia braków na rynku w odpowiednim momencie. Suszenie drożdży prowadzi się w suszarkach różnego typu, np. tunelowych, bębnowych, fluidyzacyjnych. W wyniku suszenia otrzymujemy materiał biologicznie aktywny o zawartości 8% wody. Dalsze usuwanie wody ma już niekorzystny wpływ na aktywność drożdży gdyż jest związane z inaktywacją enzymów komórkowych. Drożdże suszone w stosunku do prasowanych charakteryzują się wieloma zaletami: - nieporównywalnie większa trwałość, - ułatwiona dystrybucja ze względu na ich mniejszą masę o około 65% i objętość o 20-50% - łatwość pakowania, przechowywania i transportu Posiadają jednak również wady: - konieczność prowadzenia rehydratacji (uwodnienia) wysuszonych drożdży, które dodaje się do fermentacji ciasta - obniżona aktywność w stosunku do drożdży prasowanych, wynikająca najczęściej z uszkodzenia ich systemu enzymatycznego w trakcie suszenia - wyższa zawartość komórek martwych. Najnowsze osiągnięcia w procesie suszenia polegają na dobraniu nie tylko optymalnych warunków samego procesu suszenia, ale także na zastosowaniu termostabilnych szczepów (bogatych w trehalozę), dodatku stabilizatorów oraz dobraniu najkorzystniejszych parametrów hodowli drożdży i składu biomasy komórkowej.

3 Drożdże paszowe Drożdże paszowe powinny zawierać co najmniej 50% białka w s.m., szybko się rozmnażać, odznaczać się małą wrażliwością na zawartość substancji toksycznych w środowisku, maksymalnie wykorzystywać wszystkie składniki pokarmowe znajdujące się w substracie i nie mogą ulegać degeneracji w procesie ciągłym. Produkcja drożdży paszowych z melasy jest deficytowa, ale bezwartościowe surowce odpadkowe z różnych gałęzi przemysłu jak hydrolizaty surowców celulozowych, ługi posiarczynowe, wywar pospirytusowy, mogą być z powodzeniem wykorzystane. Wiele z tych surowców stanowi uciążliwe odpady zawierające substancje toksyczne i zatruwające wody powierzchniowe. Ponieważ surowce do produkcji drożdży paszowych zawierają substancje bakteriobójcze (SO 2 ) lub zostały wysterylizowane (wywar), a także dzięki zwiększeniu odporności ras drożdży dzikich na zakażenie, stosuje się z zasady ciągła metodę produkcji. Rozmnaża się je w dużych kadziach wolno stojących i stosuje automatykę sterującą niemal wszystkimi procesami technologicznymi. Najczęściej stosuje się drożdże z rodzajów: Torula i Torulopsis. W zależności od podłoża są to zwykle: Candida utilis, Torula utilis, Candida tropicalis, Candida arborea, Candida crusei, Candida humicola, Candida robusta, Monilia murmanica, Torulopsis Cremonie, Endomycopsis bistora, Trichosporon cutaneum i inne. Wymienione gatunki i szczepy drożdży mają zdolność przyswajania substancji nie dostępnych dla drożdży gorzelniczych, a mianowicie: gliceryny, kwasów organicznych, pentoz, resztek niedofermentowanych lub nie ulegających fermentacji cukrów, alkoholu, a nawet części azotu białkowego. Wszystkie te składniki są przetwarzane na biomasę drożdży. I. Ocena jakościowa drożdży Wykonanie ćwiczenia 1. Sprawdzenie masy drożdży piekarskich. Zawartość opakowania zważyć z dokładnością do 0,1g i porównać z wagą kostki na opakowaniu deklarowaną przez producenta 2. Określenie barwy. Barwę próbki należy określić wzrokowo przy świetle dziennym 3. Określenie smaku. Smak drożdży piekarskich należy określić biorąc do ust ok. 1g badanej próbki. 4. Określenie konsystencji. Cegiełkę drożdży lekko nagnieść palcem w środku bocznej powierzchni. Konsystencja powinna być ścisła; dopuszcza się zewnętrzną mazistość, jeżeli nie jest połączona z przykrym zapachem rozkładającego się białka. 5. Oznaczanie zawiesiny wodnej. Do probówki szklanej wrzucić grudkę drożdży (około 1 g na 20 cm 3 ) pobraną z wnętrza cegiełki, dodawać porcjami wodę do około połowy pojemności probówki i każdorazowo wstrząsnąć probówkę zamknąwszy ją korkiem. Obserwować zawiesinę po całkowitym wymieszaniu - zawiesina powinna być jednorodna, w ciągu 5 min nie powinna wykazywać grudek ani kłaczków na dnie probówki. 6. Oznaczanie zawartości suchej masy. Oznaczenie polega na wysuszeniu próbki drożdży do stałej masy - metoda wagowa W zważonym naczyńku wagowym (wraz z przykrywką), wysuszonym w temperaturze 105 C do stałej masy, odważyć około 1g drożdży z dokładnością 0,001g. Przed odważeniem końcowym drożdże dokładnie rozetrzeć na dnie i dolnej części bocznej ścianki naczyńka. Po dokładnym zważeniu i zanotowaniu wagi, naczyńko otwarte wraz z przykrywką umieścić w suszarce na 1,5 2h w temp. 105 C. Następnie naczyńko zamknąć pokrywką, wstawić do eksykatora, po ochłodzeniu zważyć, po czym otwarte naczyńko ponownie umieścić w suszarce w temp. 105 C na 1h. Oznaczenie uważa się za zakończone, jeśli różnica masy po kolejnym dosuszaniu nie przekracza 0,001g. Zawartość suchej masy obliczyć w procentach wg wzoru X c - a = 100 b - a c masa naczyńka z przykrywką i drożdżami po wysuszeniu [g] a masa naczyńka z przykrywką [g] b masa naczyńka z przykrywką i drożdżami przed wysuszeniem [g]

4 - oznaczenie zawartości suchej masy za pomocą wagosuszarki 15 minut przed rozpoczęciem pomiaru włączyć wagosuszarkę urządzenie musi się nagrzać po 15 minutach otworzyć wieko wagosuszarki, umieścić na szalce folię aluminiową (kwadrat ok. 5x5cm) i nacisnąć dwukrotnie przycisk TARE tarowanie wagi zdjąć folię z szalki, rozprowadzić na niej ok. 2g drożdży (cienka warstwa) i ponownie położyć na szalkę zanotować masę drożdży! zamknąć wieko wagosuszarki nacisnąć przycisk F1 (programowanie temperatury) i klawiszem F2 ustawić temperaturę C nacisnąć klawisz F1 (czas próbkowania) i klawiszem F2 ustawić czas próbkowania 20 nacisnąć klawisz F1 pojawi się komunikat na wyświetlaczu READY potwierdzić ponownie naciskając F1, rozpoczyna się pomiar wynik podawany jest w % wilgotności próbki pomiar prowadzić do momentu uzyskania stałej wartości wilgotności zapisać wynik i wyliczyć suchą masę analizowanej próbki zakończyć pomiar naciskając klawisz TARE otworzyć wieko wagosuszarki, wyciągnąć folię z drożdżami, zamknąć wieko, wyłączyć urządzenie 7. Oznaczanie aktywności sacharolitycznej i maltatycznej drożdży Sacharaza (P-fruktofuranozydaza, inwertaza) zawarta w drożdżach hydrolizuje sacharozę do fruktozy i glukozy. W wyniku dalszych przemian powstaje alkohol i CO 2. Wydzielona ilość cm 3 CO 2 przez biomasę drożdży w określonym czasie jest miarą aktywności sacharolitycznej. - W kolbie o pojemności 50 cm 3 sporządzić 20ml 5% roztworu sacharozy (do rozpuszczenia cukru użyć ogrzanej do ok C wody destylowanej). Następnie dodać 0,5 g drożdży, w przeliczeniu na suchą masę. Kolbkę zamknąć szczelnie korkiem zaopatrzonym w rurkę fermentacyjną wypełnioną wodą destylowaną. Naczynie zważyć, masę kolbki zanotować i wstawić do termostatu (35 C) na 1h. Znając różnicę mas przed i po fermentacji obliczyć ilość wydzielonego CO 2 [cm 3 ]. Aktywność sacharolityczną podać jako ilość cm 3 CO 2 wydzielonych przez 0,1 g suchej masy drożdży w ciągu 1 godziny (1 mol CO 2 = 44,0 g odpowiada objętości 22,4 dm 3 ). C 12 H 22 O 11 + H 2 O 4C 2 H 5 OH + 4CO 2 Maltaza (a-glukozydaza) drożdżowa hydrolizuje maltozę na dwie cząsteczki glukozy, które w dalszym etapie ulegają fermentacji na alkohol etylowy i CO 2. Wydzielona ilość cm 3 CO 2 przez biomasę drożdży w określonym czasie jest miarą aktywności maltatycznej. - aktywność maltatyczną oznacza się w sposób analogiczny jak aktywność sacharolityczną z tą różnicą, że zamiast sacharozy używa się maltozy. Aktywność maltatyczną podać jako ilość cm 3 CO 2 wydzielonych przez 0,1 g suchej masy drożdży w ciągu 1 godziny (1 mol CO 2 = 44,0 g odpowiada objętości 22,4 dm 3 ). 8. Opracowanie wyników Przedstawić obserwacje, uzyskane wyniki oraz ich interpretację (wnioski), w postaci zbiorczej tabeli opisującej organoleptyczne i technologiczne cechy drożdży piekarskich prasowanych i/lub suszonych. L.p. Cechy Wymagania Próba I Próba II 1 Barwa Kremowa, dopuszczalny odcień szary 2 Smak Swoisty bez posmaku gorzkiego i pleśni 4 Konsystencja Ścisła, dopuszcza się zewnętrzną mazistość, jeśli nie jest połączona z przykrym zapachem rozkładającego się białka 5 Zawiesina wodna Jednolita, bez grudek i kłaczków 6 Zawartość suchej masy [%] Nie mniej niż 27 (prasowane) 7 Aktywność sacharolityczna 8 Aktywność maltatyczna 9. Materiały do ćwiczeń, które zapewnia student!!!! - drożdże piekarskie, świeże 2 rodzaje np.: drożdże w kostce, drożdże suszone

5 10. Zagadnienia teoretyczne: - charakterystyka drożdży - trwałość drożdży piekarskich - wymagania sensoryczne dla drożdży - formy handlowe drożdży piekarskich - drożdże paszowe 11. Literatura: 1. Chmiel A., Biotechnologia. Podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne; Wyd. PWN, Warszawa; Kunicki-Goldfinger W.; Życie bakterii; Wyd. PWN; Warszawa; Libudzisz Z. Kowal K.; Mikrobiologia techniczna; Wyd. Politechniki Łódzkiej; Bednarski W., Reps A.; Biotechnologia żywności; WNT; Warszawa; 2003.