Élelmiszer-biotechnológia II. Maráz Anna e. tanár
Budapesti Corvinus Egyetem, ÉTK Mikrobiológia és Biotechnológia Tanszék 2010 Mikrobiológia és Biotechnológia Tanszték
Az élelmiszer-biotechnológia gyökerei • İskorban: tejalvasztás, spontán erjesztett italok • Suméroknál: sör erjesztése gabonából i.e. 3800 • 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 •
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
Ital- és élelmiszertechnológia Állati biotechnológia
enzimek, mikróbák alkalmazása GM
k ato áll
p éle robi o lm isz tiku m er biz ok, to ns ág
Táplálkozástudomány
k, ime gok enz a any lék ada
Mikrobás ipari fermentációk
me llé fel kte rm do lgo ék zá s
Élelmiszer biotechnológia
GM növények
Környezeti biotechnológia
Növényi biotechnológia
Az élelmiszer-biotechnológia kapcsolódása egyéb tudományterületekhez
Etanolos erjesztés biotechnológiai alkalmazása
Mikróbák szerepe az erjedési folyamatokban Mikróbák szerepének felismerése: - Louis Pasteur: bor és sör mikrobiológiai romlási folyamatainak feltárása - Christian Hansen: színtenyészetek alkalmazása a sörerjesztésben
Élesztıgombák - egysejtő szervezetek - sejt alakja: kerekded, tégla, megnyúlt (álhifa), fonalas - anyagcsere: légzés, többségüknél alkoholos erjesztés is - rendszertani helyük: Ascomycetes, Bazidiomycetes tagozat
Saccharomyces cerevisiae
Sarjképzés
Sarjheg
Saccharomyces cerevisae
Álmicélum képzés
Lehet: differenciálatlan pl. Pichia membranifaciens differenciált pl. Candida albicans
Ivaros folyamatok
Schizosaccharomyces pombe aszkuszok
S. cerevisiae aszkuszok (sporangiumok)
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
Etanolos erjesztés
Piruvátdekarboxiláz
glikolizis Glükóz
2 piroszılısav
C6H12O6
CH3-CO-COOH
Alkoholdehidrogenáz
2 acetaldehid CH3-CHO
CO2
2 etanol
CH3-CH2-OH 2 NADH2 2 NAD
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 NADH2 jelenléte szükséges • Oxigén jelenlétében a légzési folyamat aktiválódik, a mitokondrium elszívja a glikolízisben keletkezı NADH2-t. • Anaerobiózisban a mitokondrium mőködése leáll (a légzés nem mőködik), ezért az alkohol dehidrogenáz számára rendelkezésre áll a NADH2. légzés
mitokondrium
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 NADH2-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.
Élesztıgombák erjesztési fı- és melléktermékei cukrok
glükóz
glükóz
SO42-, SO32-
DIACETIL H2S α-acetolaktát
piruvát CO2 acetaldehid
Acetil-KoA
α-ketosavak
Zsírsav-KoA
MAGASABBRENDŐ ALKOHOLOK
ZSÍRSAVAK
ÉSZTEREK
ETANOL
Aminosavak
A legfontosabb alkoholosan erjesztett italok elıállításának jellemzıi Sör
Alapanyag
Whyski
Árpa és Árpa (Maláta segédanyagok whyskinél) (rizs, búza, Árpa, búza kukorica, stb.) (Gabona whyskinél)
Bor
Desztillált szeszes italok
Szılı (gyümölcs)
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.%)
3-6
40-45
8-14
35-45
Sörerjesztés biotechnológiája
Árpamaláta, víz
Malátázás (áztatás, csíráztatás)
Szárítás (Aszalás)
α- és β-amilázok, proteázok aktiválása
70 oC-on; a csírázás megállítása (légzés inaktiválása)
A sörgyártás technológiája
İrlés
Víz, adalékok
Komló
Cefrézés
Sörlé fızés
Keményítı, fehérje, héjglükán enzimes hidrolízise; sörlé nyerése 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 CO2-dá erjesztése; Íz- és illatanyagok termelése Végleges aroma kialakulása (diacetil lebontása); teljes kierjesztés
Mikrobiológiai folyamat
A sörerjedés mikrobiológiai folyamatai Sörlé elıkészítése: hőtés, szőrés, levegıvel telítés Fıerjedés 1/ sörlé beoltása, élesztı elszaporodása (biomassza termelés) 2/ erjesztés sörélesztı 2 glükóz sörélesztı etanol + CO - maltóz 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
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 CO2 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 CO2 tartalma alacsony
Oltóélesztı (starter) fajok
Sacch. pastorianus (melibiózt hasznosítják)
alsóerjedéső (lager) sör
Sacch. cerevisae (melibiózt nem hasznosítják)
felsıerjedéső (ale) sör
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
Sörélesztık nemesítésének céljai és lehetıségei Nemesítés céljai Technológia javítása
Új segédanyagok alkalmazása
Erjesztési ráta növelése
Keményítı erjesztése
Hımérsékleti optimumhoz közelítés
Cellulóz erjesztése
Szaporodási ráta növelése
Laktóz erjesztése
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 termékek elıállítása Csökkentett szénhidrát tartalmú (alacsony kalória tartalmú) sör elıállítása Alacsony alkohol tartalmú vagy alkoholmentes sör elıállítása Speciális aromájú sörök elıállítása Tömény sör elıállítása
Sörélesztık nemesítése génsebészeti úton • Glükanáz aktivitású törzs elıállitása (Trichoderma reesei βglükanáz gén transzformálása) - sör szőrhetıségének javítása • Diacetiltermelés csökkentése (α α-acetolaktát-szintetáz, aacetolaktát-dekarboxiláz, acetoinreduktáz gének bevitele) – ászokolási idı csökkentése • Szulfit termelés növelése – antibakteriális hatás erısítése
Borászati biotechnológia
Szılı
Fajélesztıs beoltás
Préselés, zúzás, szulfit adagolás
Macerálás
Péselés, héjeltávolítás
Saccharomyces cerevisiae, S. bayanus
Erjesztés
Szılıbogyóból lé nyerése; szulfit gátolja az ecetsav baktériumokat és a nemSaccharomyces élesztıket Héjból a színanyagok (antociánok), fenolos vegyületek és csersav kivonása; erjedés beindulása
Must nyerése
20-30 oC-on a cukrok etanollá és CO2-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
Szőrés, Palackozás
Bor jellegzetes aroma anyagainak kialakulása kémiai (oxidációs) folyamatok által
Mikrobiológiai stabilizálás
Vörösbor erjesztés technológiája Mikrobiológiai folyamat
A BORERJEDÉS MIKROBIOLÓGIÁJA Must: 150-300 g/l cukor (glükóz, fruktóz)- SO2 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
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 - SO2 tőrı - egyedi tulajdonságok: hidegtőrı, csomósodó (flokkulens), porosodó (nemflokkulens)
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
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
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
Borélesztı nemesítés irányai • • • • • • • • • • •
Cukortőrés (ozmotolerancia) javítása Alkoholtőrés (etanol tolerancia) növelése SO2 tőrés javítása Savtőrés fokozása Erjesztıképesség javítása Kedvezı erjedési aroma termelés (illósavak, észterek, terpének, glicerin, borostyánkısav, stb) kialakítása, stabilizálása Kéntartalmú aroma termelés (pl. H2S, 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
Borélesztık nemesítése génsebészeti úton • Borélesztı malolaktikus erjesztése (Lb. delbrückii malolaktikus gén transzformálása) • CO2 termelés (erjesztés) növelése glükózrepresszió kiiktatásával • Kettıs killertoxin termelı törzs elıállitása (K1 toxingén cDNS-ének transzformálása K2 killer törzsbe) • Bor gyümölcsaroma tartalmának növelése (ß-1,4endoglükanáz gén transzformálása): • • Flokkulens (csomósodó) pezsgıélesztı elıállitása (FLO5 gén transzformálása)
GM növények felhasználása az élelmiszerek elıállításában
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.
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).
Példa piacra került elsı generációs GMO-kra GM növény
Tulajdonság
Oszág
Kukorica
rovar rezisztencia
USA, Kanada, Japán, EU
herbicid tolerancia
USA, EU, Svájc
hímsterilitás
USA
Szójabab
Gyomírtószer (glifozát) tolerancia) herbicid tolerancia
USA, Kanada, Japán, EU, Argentína, Svájc
Paradicsom
rovar rezisztencia puhulás lassítása
USA, GB
Burgonya
rovar rezisztencia
USA, Kanada, Japán
Cikória
hímsterilitás és herbicid
Európa
Tök
vírus rezisztencia
USA
Dinnye
vírus rezisztencia
USA
Papaya
vírus rezisztencia
USA
Repce
hímsterilitás
EU
herbicid tolerancia
Japán, Kanada, USA
magas laurilsav tartalom
Kanada
megváltozott olajöszetétel
USA
Kukoricamoly rezisztens transzgénikus Bt kukorica elıállítása
Bacillus thuringensis A kukorica által termelt BT toxin megöli a belıle táplálkozó lárvát A baktérium Bt toxin génjének átvitele kukoricába klónozással
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
Termesztésbe vont vagy szabadföldi kísérleteti stádiumban lévı második generációs élelmiszer GMO-k Növény
Tulajdonság
spenót, saláta
alacsony nitráttartalom
burgonya
magasabb keményítıtartalom magasabb proteintartalom (+30%)
kukorica
alacsonyabb telített zsírsav tartalom
szójabab
magas aminosav tartalom
rizs
nem tartalmaz allergént β-karotin szintézise a magban
szamóca
magasabb természetes rákellenes komponens (ellagsav)
brokkoli
rákellenes vegyület és antioxidánst termelés
Harmadik generációs GM növények A GM növényeket speciális molekulák, anyagcseretermékek, enzimek, gyógyászati fehérjék elıállítására használják.
GM növény
Termék
GM rizs: β-karotin szintetizálása a magban
Aranyrizs (Golden rice): vitamin A hiány megelızése
Vakcinát expresszáló növények (ehetı vakcinák)
Anti-hepatitisz B vakcinát termelı banán és burgonya
Növények, mint bioreaktorok Immunoglobulinok – heterológ proteinek Inzulin, hirudin termelése Enzimek (α-amiláz, fitáz) Biodegradálható csomagolóanyagok (PHBpolihidroxi-butirát, cyclodextrin)
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, 2001 10. fejezet: Mikrobiális biotechnológia (Maráz Anna) 265-284 - 2. Élelmiszer-mikrobiológia (szerk. Deák Tibor) Mezıgazda Kiadó, Bp. 6 fejezet: Élelmiszeripari erjesztések, fermentált élelmiszerek (Maráz Anna) 179224. oldal Oktató adatai: Dr. Maráz Anna e. tanár Budapesti Corvinus Egyetem Élelmiszertudományi Kar Mikrobiológia és Biotechnológia Tanszék 1118 Budapest, Somlói út 14-16. Tel: +361-4826202, fax: +361-482-6340 E-mail:
[email protected]
