Budapesti Corvinus Egyetem, ÉTK Mikrobiológia és Biotechnológia Tanszék 2010

Átírás

1 Élelmiszer-biotechnológiaII. Maráz Anna e. tanár Budapesti Corvinus Egyetem, ÉTK Mikrobiológia és Biotechnológia Tanszék 2010 Mikrobiológia és Biotechnológia Tanszték

2 Az élelmiszer-biotechnológia gyökerei İskorban: tejalvasztás, spontán erjesztett italok Suméroknál: sör erjesztése gabonából i.e Ókori Egyiptomban: sör erjesztése gabonából, kenyérkelesztés kovásszal Görög és római civilizációknál: bor és sör kultusza (Dionysos, Bacchus), borecet készítés Középkorban: bor, sör, sajt készítés a kolostorokban

3 Az élelmiszer-biotechnológia feladatai a modern korban Az élelmiszer-minıség javítása A növényi és állati termékek tápértékének és biztonságának növelése Természetes aromák és színezékek elıállítása Az élelmiszer feldolgozási technológiák fejlesztése enzimek és emulgeátorok segítségével

4 Ital- és élelmiszertechnológia Táplálkozástudomány Mikrobás ipari fermentációk Élelmiszer biotechnológia probiotikumok, élelmiszerbiztonság enzimek, adalékanyagok enzimek, mikróbák alkalmazása GM növények GM állatok Állati biotechnológia melléktermék feldolgozás Környezeti biotechnológia Növényi biotechnológia Az élelmiszer-biotechnológia kapcsolódása egyéb tudományterületekhez

5 Etanolos erjesztés biotechnológiai alkalmazása

6 Mikróbák szerepe az erjedési folyamatokban Mikróbák szerepének felismerése: - Louis Pasteur: bor és sör mikrobiológiai romlási folyamatainak feltárása - Christian Hansen: színtenyészetek alkalmazása a sörerjesztésben

7 Élesztıgombák - egysejtő szervezetek - sejt alakja: kerekded, tégla, megnyúlt (álhifa), fonalas - anyagcsere: légzés, többségüknél alkoholos erjesztés is - rendszertani helyük: Ascomycetes, Bazidiomycetes tagozat Saccharomyces cerevisiae

8 Sarjképzés Sarjheg Saccharomyces cerevisae

9 Álmicélum képzés Lehet: differenciálatlan pl. Pichia membranifaciens differenciált pl. Candida albicans

10 Ivaros folyamatok Schizosaccharomyces pombe aszkuszok S. cerevisiae aszkuszok (sporangiumok)

11 Erjedésiparban jelentıs élesztıgomba fajok sensu stricto Saccharomyces fajok szerep S. cerevisiae sör, bor, pezsgı, etanol S. bayanus bor, pezsgı S. pastorianus sör S. paradoxus bor sensu stricto fajok: szoros rokonságban lévı fajok

12 Etanolos erjesztés glikolizis Glükóz 2 piroszılısav C 6 H 12 O 6 CH 3 -CO-COOH CH 3 -CHO Piruvátdekarboxiláz Alkoholdehidrogenáz 2 acetaldehid 2 etanol CO 2 2 NADH 2 2 NAD CH 3 -CH 2 -OH

13 Az alkoholos erjedés biokémiai szabályozása Pasteur effektus Az élesztı aerob körülmények között (oxigén jelenétében) légzést, anaerob körülmények között (levegıtıl elzártan) alkoholos erjesztést folytat. - Anaerobiózisban a glikolízis felgyorsul, az energia (ATP) termelés erısen lecsökken, lassú szaporodás. - Aerobiózisban (oxigén jelenlétében) csökken a cukorfogyás, csökken az etanol termelés és fokozódik a szaporodás Oka: Az etanolos erjedéshez (alkohol dehidrogenáz mőködéséhez) a citoplazmában szabad NADH 2 jelenléte szükséges Oxigén jelenlétében a légzési folyamat aktiválódik, a mitokondrium elszívja a glikolízisben keletkezı NADH 2 -t. Anaerobiózisban a mitokondrium mőködése leáll (a légzés nem mőködik), ezért az alkohol dehidrogenáz számára rendelkezésre áll a NADH 2. légzés mitokondrium

14 Glükóz/katabolit represszió (Crabtree effektus): Nagy cukorkoncentráció (pl. glükóz, maltóz, szacharóz) esetén aerob körülmények között is etanolos erjesztés folyik mindaddig, amíg a cukorkoncentráció le nem csökken. A cukorkoncentráció lecsökkenésével beindul a légzés és visszaszorul az erjesztés. Oka: A glükóz (cukor) gátolja a légzést a camp termelésének gátlásán keresztül (a cmp szintézisét végzı adenilát-ciklázt gátolja). A légzés visszaszorulása miatt a NADH 2 -rendelkezésre áll a citoplazmában az alkohol-dehidrogenáz mőködéséhez, ezért megindul az erjesztés. Etanolos erjesztés energiamérlege: 2 ATP/glükóz Légzés energiamérlege: 36 ATP/glükóz A Saccharomyces fajok különösen érzékenyek a katabolit represszióra, már 1% feletti cukor is gátolja a légzést.

15 Élesztıgombák erjesztési fı- és melléktermékei cukrok glükóz SO 4 2-, SO 3 2- glükóz DIACETIL H 2 S piruvát α-acetolaktát Aminosavak CO 2 acetaldehid Acetil-KoA α-ketosavak ETANOL Zsírsav-KoA MAGASABBRENDŐ ALKOHOLOK ZSÍRSAVAK ÉSZTEREK

16 A legfontosabb alkoholosan erjesztett italok elıállításának jellemzıi Alapanyag Sör Árpa és segédanyagok (rizs, búza, kukorica, stb.) Whyski Árpa (Maláta whyskinél) Árpa, búza (Gabona whyskinél) Bor Szılı (gyümölcs) Desztillált szeszes italok Árpa, gabonafélék, melasz, szılı, savó, stb.) Alapanyag kezelése Malátázás, cefrézés Malátázás, cefrézés Zúzás, macerálás Alapanyagtól függıen változó Fızés Van Nincs Nincs Nincs Erjesztés S. cerevisae S. pastorianus S. cerevisae S. cerevisae S. bayanus S. cerevisae K. marxianus (savó esetén) Élesztı visszatáplálás Van Nincs Nincs Nincs Desztillálás Nincs Van Nincs Van Érlelés Van: hetek Van: évek Van: hónapokévek Változó Alkohol tartalom (tf.%)

17 Sörerjesztés biotechnológiája

18 Árpamaláta, víz Malátázás (áztatás, csíráztatás) α- és β-amilázok, proteázok aktiválása A sörgyártás Szárítás (Aszalás) 70 o C-on; a csírázás megállítása (légzés inaktiválása) technológiája İrlés Víz, adalékok Cefrézés Keményítı, fehérje, héjglükán enzimes hidrolízise; sörlé nyerése Komló Sörlé fızés Forralás 1,5-2,5 óráig; enzimek inaktiválása, komló anyagok extrahálása, fehérjék kicsapása, sterilizálás Sörlé szőrése, lehőtése Levegı, oltóélesztı Erjesztés Ászokolás (érlelés) Glükóz, maltóz, maltotrióz etanollá és CO 2 -dá erjesztése; Íz- és illatanyagok termelése Végleges aroma kialakulása (diacetil lebontása); teljes kierjesztés Mikrobiológiai folyamat

19 A sörerjedés mikrobiológiai folyamatai Sörlé elıkészítése: hőtés, szőrés, levegıvel telítés Fıerjedés 1/ sörlé beoltása, élesztı elszaporodása (biomassza termelés) 2/ erjesztés - maltóz sörélesztı 2 glükóz sörélesztı etanol + CO 2 - erjedési aromák termelése (vicinális diketonok, fıként diacetil) Utóerjedés Élesztısejtek kiülepedése (láger sörök) vagy a habban való összegyőlése ( ale sörök) Ászokolás (láger söröknél) A diacetil lebontása, íz- és illatanyagok átalakítása, termelése, sör stabilizálódása

20 Európai sörtípusok Alsó erjesztéső (lager) sörök az erjesztés végén az élesztısejtek kiülepedve a kád/tank alján győlnek össze Az élesztı törzsek flokkulációs (csomósodó) képességgel rendelkeznek A sör CO 2 tartalma magas A fıerjedést hosszú ászokolás (érlelés) követi Felsı erjesztéső (ale) sörök Az élesztısejtek a fıerjedés végén a sör tetejére felúszva a habban győlnek össze Az élesztı törzsek nem rendelkeznek flokkulációs (csomósodó) képességgel A sör CO 2 tartalma alacsony

21 Oltóélesztı (starter) fajok Sacch. pastorianus (melibiózt hasznosítják) Sacch. cerevisae (melibiózt nem hasznosítják) alsóerjedéső felsıerjedéső (lager) sör (ale) sör

22 Sörélesztık általános tulajdonságai Speciális erjesztési és aromaképzı tulajdonságokkal rendelkeznek (starter törzsek) Keményítıt és dextrineket nem bontják (nem erjesztik), de ezek enzimes bomlástermékeit igen (maltóz, maltotrióz) Általában diploidok Nem vagy rosszul spóráznak, de a spórák általában életképtelenek, ezért ivaros hibridizáció nem játszódik le

23 Sörélesztık nemesítésének céljai és lehetıségei Nemesítés céljai Technológia javítása Erjesztési ráta növelése Hımérsékleti optimumhoz közelítés Szaporodási ráta növelése Ozmózisos tolerancia növelése Alkohol tolerancia növelése Protein hidrolízis javítása β-glükán hidrolízis növelése Alacsony diacetil tartalom elérése Íz- és illatanyag termelés megváltoztatása Flokkuláció szabályozása Fertızések elleni védelem Új segédanyagok alkalmazása Keményítı erjesztése Cellulóz erjesztése Laktóz erjesztése Új termékek elıállítása Csökkentett szénhidrát tartalmú (alacsony kalória tartalmú) sör elıállítása Alacsony alkohol tartalmú vagy alkoholmentes sör elıállítása Speciális aromájú sörök elıállítása Tömény sör elıállítása

24 Sörélesztık nemesítése génsebészeti úton Glükanáz aktivitású törzs elıállitása (Trichoderma reesei β- glükanáz gén transzformálása) - sör szőrhetıségének javítása Diacetiltermelés csökkentése (α-acetolaktát-szintetáz, a- acetolaktát-dekarboxiláz, acetoinreduktáz gének bevitele) ászokolási idı csökkentése Szulfit termelés növelése antibakteriális hatás erısítése

25 Borászati biotechnológia

26 Szılı Fajélesztıs beoltás Préselés, zúzás, szulfit adagolás Macerálás Szılıbogyóból lé nyerése; szulfit gátolja az ecetsav baktériumokat és a nem- Saccharomyces élesztıket Héjból a színanyagok (antociánok), fenolos vegyületek és csersav kivonása; erjedés beindulása Vörösbor erjesztés technológiája Péselés, héjeltávolítás Must nyerése Mikrobiológiai folyamat Saccharomyces cerevisiae, S. bayanus Erjesztés o C-on a cukrok etanollá és CO 2 -dá erjesztése; erjedési primer és szekunder metabolitok termelése Bor fejtése, kezelése Seprı eltávolítása, háziasítás Malolaktátos erjedés Almasav tejsavvá erjesztése Oenococcus oeni tejsavbaktériummal Derítés Érlelés tölgyfahordóban Bor jellegzetes aroma anyagainak kialakulása kémiai (oxidációs) folyamatok által Szőrés, Palackozás Mikrobiológiai stabilizálás

27 A BORERJEDÉS MIKROBIOLÓGIÁJA Must: g/l cukor (glükóz, fruktóz)- SO 2 adagolása (baktériumok gátlása) 1.Spontán erjedés: A mustban lévı élesztıgombák végzik az erjesztést. Az erjesztı élesztıbióta összetételét a növekvı etanol koncentráció határozza meg. Élesztıgombák eredete: szılı, talaj (Saccharomycesek környezetbıl) 1-2% EtOH-ig: Candida és Pichia fajok 5-6% EtOH-ig: Kloeckera (Hanseniaspora) fajok 9% EtOH-ig: Brettanomyces fajok 12-16% EtOH-ig: Saccharomyces fajok

28 2. Irányított erjedés: A mustot fajélesztıkkel oltják be, amelyek átveszik az erjesztést Fajélesztık: különbözı borvidékekrıl izolált, kedvezı technológiai tulajdonságú Saccharomyces cerevisiae és S. bayanus törzsek (általában szárított készítmények) Milyen a jó borélesztı? - Cukortőrı - Alkoholtőrı - SO 2 tőrı - egyedi tulajdonságok: hidegtőrı, csomósodó (flokkulens), porosodó (nemflokkulens)

29 Biológiai almasavbontás (fıleg vörösboroknál) Az almasav erıs savhatású, ezért 5g/l feletti koncentrációban erısen savas ízhatást eredményez. Almasav eredete: szılı. A borélesztık nem bontják le Malolaktikus fermentáció: Tejsavbaktériumok az almasavat tejsavvá erjesztik. Oenococcus oeni (régi neve Leuconostoc oenos) színtenyészetek alkalmazása

30 Probléma: Kénessav-tőrése gyengébb, mint a borélesztıé, és speciális növekedési faktorokat is igényel, ezért nem minden bornál megy végbe a malo-laktátos erjedés. Megoldás: - Kedvezıbb technológiai tulajdonságú törzsek szelektálása, kereskedelmi starterek elıállítása - Borélesztı genetikai módosítása: Lactobacillus delbrueckii malát-permeáz és malát dekarboxiláz gének klónozása

31 Törzsfejlesztés lehetıségei Biodiverzitásban rejlı lehetıségek kihasználása erjesztı élesztıbiótából starterkultúrák szelektálása Hagyományos nemesítési módszerek alkalmazása (random mutagenezis, ivaros hibridizáció, protoplaszt fúzió). Törzsek kombinálása az erjesztés során

32 Borélesztı nemesítés irányai Cukortőrés (ozmotolerancia) javítása Alkoholtőrés (etanol tolerancia) növelése SO 2 tőrés javítása Savtőrés fokozása Erjesztıképesség javítása Kedvezı erjedési aroma termelés (illósavak, észterek, terpének, glicerin, borostyánkısav, stb) kialakítása, stabilizálása Kéntartalmú aroma termelés (pl. H 2 S, merkaptánok) csökkentése Acetaldehid termelés csökkentése Urea termelés csökkentése, ezáltal a toxikus etilkarbamát mennyisége is csökken. Egészségvédı vegyületek termelésének növelése (pl. razveratrol, antioxidánsok) Killer tulajdonság (zimocin termelés) kialakítása

33 Borélesztık nemesítése génsebészeti úton Borélesztı malolaktikus erjesztése (Lb. delbrückii malolaktikus gén transzformálása) CO 2 termelés (erjesztés) növelése glükózrepresszió kiiktatásával Kettıs killertoxin termelı törzs elıállitása (K1 toxingén cdns-ének transzformálása K2 killer törzsbe) Bor gyümölcsaroma tartalmának növelése (ß-1,4- endoglükanáz gén transzformálása): Flokkulens (csomósodó) pezsgıélesztı elıállitása (FLO5 gén transzformálása)

34 GM növények felhasználása az élelmiszerek elıállításában

35 A biotechnológia eszköztára Az élelmiszer alapanyagok minıségének javítása a genetikai módosítás segítségével GM élelmiszerek elıállítása A GM élelmiszer fogalma: Élelmiszerként történı felhasználásra szánt GMO-k, GMO-kat tartalmazó vagy azokból álló élelmiszerek, GMO-kból elıállított élelmiszerek vagy GMO-kból elıállított összetevıt tartalmazó élelmiszerek.

36 Elsı generációs GM növények Elınyök a termelésben Egyes kártevıknek, kórokozóknak ellenálló növények, amelyek egyébként jelentıs károkat okozhatnak és hagyományos módszerekkel nehéz az ellenük való védekezés. Szélsıséges termıhelyi viszonyok között is biztonsággal termeszthetı (pl. só és szárazságtőrı) növények. Könnyebben betakarítható, hosszabban tárolható GM növények (pl. "Flavr-Savr" paradicsom, eper).

37 Példa piacra került elsı generációs GMO-kra GM növény Tulajdonság Oszág Kukorica Szójabab Paradicsom Burgonya Cikória Tök Dinnye Papaya Repce rovar rezisztencia herbicid tolerancia hímsterilitás Gyomírtószer (glifozát) tolerancia) herbicid tolerancia rovar rezisztencia puhulás lassítása rovar rezisztencia hímsterilitás és herbicid vírus rezisztencia vírus rezisztencia vírus rezisztencia hímsterilitás herbicid tolerancia magas laurilsav tartalom megváltozott olajöszetétel USA, Kanada, Japán, EU USA, EU, Svájc USA USA, Kanada, Japán, EU, Argentína, Svájc USA, GB USA, Kanada, Japán Európa USA USA USA EU Japán, Kanada, USA Kanada USA

38 Kukoricamoly rezisztens transzgénikus Bt kukorica elıállítása Bacillus thuringensis A baktérium Bt toxin génjének átvitele kukoricába klónozással A kukorica által termelt BT toxin megöli a belıle táplálkozó lárvát

39

40

41 Második generációs GM növények Táplálkozási elınyök Egészségesebb zsír- vagy olajtartalom Magasabb proteintartalom Elınyösebb aminosav összetétel a fehérjékben Antioxidáns tartalom növelése Vitamintartalom növelése Funkcionális élelmiszerként való alkalmazásuk

42 Termesztésbe vont vagy szabadföldi kísérleteti stádiumban lévı második generációs élelmiszer GMO-k Növény spenót, saláta burgonya kukorica szójabab rizs szamóca brokkoli Tulajdonság alacsony nitráttartalom magasabb keményítıtartalom magasabb proteintartalom (+30%) alacsonyabb telített zsírsav tartalom magas aminosav tartalom nem tartalmaz allergént β-karotin szintézise a magban magasabb természetes rákellenes komponens (ellagsav) rákellenes vegyület és antioxidánst termelés

43 Harmadik generációs GM növények A GM növényeket speciális molekulák, anyagcseretermékek, enzimek, gyógyászati fehérjék elıállítására használják. GM növény GM rizs: β-karotin szintetizálása a magban Vakcinát expresszáló növények (ehetı vakcinák) Termék Aranyrizs (Golden rice): vitamin A hiány megelızése Anti-hepatitisz B vakcinát termelı banán és burgonya Növények, mint bioreaktorok heterológ proteinek termelése Immunoglobulinok Inzulin, hirudin Enzimek (α-amiláz, fitáz) Biodegradálható csomagolóanyagok (PHBpolihidroxi-butirát, cyclodextrin)

44 Tételek: A mikroorganizmusok biotechnológiai hasznosításának alapjai. Ipari törzsek jellemzıi.törzsszelekció. Törzsjavítás mutációval és rekombinációval. A rekombináns DNS technológia és ipari alkalmazása. Molekuláris klónozás. Heterológ fehérjék elıállítása. Enzimek ipari elıállítása és alkalmazása Aminosavak és szerves savak ipari elıállításának anyagcsere alapjai, ipari törzsek Élesztıgombák alkoholos erjesztésének biokémiája és szabályozása Hagyományos fermentációk mikrobiológiai alapjai. I. A sörgyártás biotechnológiája Hagyományos fermentációk mikrobiológiai alapjai. II. Borászati biotechnológia Genetikailag módosított élelmiszerek jellemzıi, típusai. Javasolt tankönyvek 1. Általános mikrobiológia (szerk. Pesti Miklós) Dialóg Campus B-Pécs, fejezet: Mikrobiális biotechnológia (Maráz Anna) Élelmiszer-mikrobiológia (szerk. Deák Tibor) Mezıgazda Kiadó, Bp. 6 fejezet: Élelmiszeripari erjesztések, fermentált élelmiszerek (Maráz Anna) oldal Oktató adatai: Dr. Maráz Anna e. tanár Budapesti Corvinus Egyetem Élelmiszertudományi Kar Mikrobiológia és Biotechnológia Tanszék 1118 Budapest, Somlói út Tel: , fax: anna.maraz@uni-corvinus.hu