Využití mikroorganizmů
ˇ Mikroorganizmy jsou všudy přítomné
* Díky svému mohutnému metabolickému potenciálu
mohou vykonávat nekonečnou řadu aktivit
* Podílí se na koloběhu prvků v přírodě
* Před mnoha tisíci lety se naučil člověk využívat jejich
aktivity ve svůj prospěch
* Do současnosti přetrvávají velmi starobylé technologie ­
klasické technologické postupy
* Pokud enzymatická výbava klasických technologických
organizmů nestačí uskutečnit požadavky člověka, jsou
vybírány nebo konstruovány mikroorganizmy nové jako
součást vědního a technologického oboru biotechnologie
Biotechnologie
* Ukazuje se, že na rozvoji biotechnologií mají
největší podíl mikroorganismy. Je však nutné
zdůraznit, že "člověk biotechnologický" je zase
jen člověk a nemá moc rád, když se mají
zaběhnuté procesy měnit od základu
* Proto i v biotechnologiích přetrvávají
"konvenčně" využívané organismy a nové
"netradiční" se uplatňují velice obtížně a
většinou tam, kde tradiční organismy neuspějí
Biotechnologie
* Toto zjištění je však v přímém rozporu s Perlmanovými
"Zákony aplikované mikrobiologie"
* Základní zákony říkají, že
Mikroorganismus má vždy pravdu
Mikroorganismus je Tvým přítelem
Mikroorganismus je velice citlivým partnerem
Neexistuje žádný hloupý mikroorganismus
Mikroorganismy existovaly a budou existovat stále
Mikroorganismy jsou elegantnější, moudřejší a
energetičtější než biologové, chemici, inženýři atd.
* Někdy jsou mikroorganismy označovány jako "živé továrny
na makromolekuly" nebo jako "bioreaktory"
Fermentované mléčné produkty
Mléko
* Celková jakost mléka závisí na podmínkách jeho tvorby,
získávání a ošetřování v zemědělské prvovýrobě
* Obsahuje potřebné živiny a další látky ve výhodném
poměru (bílkoviny, tuky, laktóza, kyselina citrónová,,
chloridy, fosfáty, soli vápníku, vitaminy A, B, C, D, E,
K atd.)
* Primární mikroflóra se do mléka před dojením dostává
především strukovým kanálem, výjimečně krevním
oběhem
* Celkový počet mikroorganizmů ve vemeni zdravých krav
je nízký (cca 102.ml-1). Převažují mikrokoky méně
streptokoky a Corynebacterium bovis)
* Primární mikroflóra nemá významný vliv na kvalitu
mléka. Ta je ovlivněna sekundární mikroflórou, tj.
kontaminací při dojení a během dalšího zpracování
Mléčné produkty
* Fermentované mléčné nápoje
* Sýry
- Čerstvé sýry
- Bílé sýry
- Měkké sýry
- Plísňové sýry
- Sýry s mletou sýřeninou
- Sýry z nízkodohřívané sýřeniny
- Sýry z vysokodohřívané sýřeniny
* Máslo
Fermentované mléčné nápoje
* Kysaná mléka ­ pasterovaná mléka zaočkovaná
základní smetanovou kulturou Streptococcus
lactis, Streptococcus cremoris, Streptococcus
lactis subsp. diacetilactis)
* Kysnutí trvá 24-48 hodin. V průběhu fermentace
vzniká kyselina mléčná, citrónová, octová,
diacetyl, acetoin. Bílkoviny mohou být
rozloženy až na volné aminokyseliny
* Vyrábí se s 2% hm.tuku nebo 3,5% hm.tuku
Fermentované mléčné nápoje
* Kysané podmáslí a šlehané podmáslí
* Podmáslí - zbylá plazma po stloukání másla.
Obsahuje z hlediska výživy cenné složky
(bílkoviny, fosfolipidy, .....)
* Kysané podmáslí se nechává dozrát s původní
kulturou (kulturou pro výrobu másla)
* Šlehané podmáslí ­ k podmáslí se přidá
pasterované mléko nebo smetana a základní
smetanová kultura. Obsah tuku - cca 1% hm.
Fermentované mléčné nápoje
* Kysané smetany
* Pro zakysání se používá základní kultura Streptococcus
lactis, Streptococcus cremoris, Leuconostoc cremoris,
Leuconostoc dextranicum a to ve větším množství
(důvod - vysoký obsah tuků, který neumožňuje optimální
rozvoj kultury)
* Kysaná smetana s 12%hm.tuku ­ zraje 16-20 hodin v
nádrži a po ochlazení na 8oC se plní do obalů
* Kysaná lahůdková smetana (40% hm.tuku) ­ v části
smetany se nechá nabobtnat malé množství želatiny,
která se přidává současně s kulturou do tanku. Po
promíchání se plní do obalů a nechá zrát asi 20 hodin
* Kysaná krémovitá smetana (18%hm.tuku) - směs pro
výrobu : plnotučné mléko, smetana, sušené odstředěné
mléko, stabilizátor (enzymově upravený bramborový
škrob). Zrání 14 - 19 hodin v obalech nebo ve zracím
tanku
Fermentované mléčné nápoje
* Jogurty ­ bílé neochucené,
ovocné
* Podle rheologických vlastností ­
pevné (tuhé), krémovité
(pastovité), tekuté (nápoje)
* Jogurtová kultura ­
Lactobacillus bulgaricus,
Streptococcus thermophilus
Pro zvýšení dietických vlastností
jogurtu se přidává
Bifidobacterium bifidum a
Lactobacillus acidophilus
mléko
laktóza voda
jogurt
syrovátka
Produkce kys. mléčné,
acetaldehydu
Lactobacillus bulgaricus
Streptococcus thermophilus
Fermentované mléčné nápoje
* Kefír - kefírová kultura pochází
jednak z Kavkazských hor a také
z opatství v Tibetu (tamní kefírová
zrna nazývaná Tibetská houba jsou
drobnější) a jsou snad 5000 let stará.
* Co se Kavkazu týká, tak podle legendy
daroval kefír ortodoxním příslušníkům
Aláhův prorok, Mohamed. Kvůli pověře, že
,,Prorokova zrna" ztratí svoji moc a sílu,
pokud by se ho zmocnili nevěřící, byl
přísně střežen před cizinci a byl předáván
z generace na generaci a pokládán za
součást kmenového bohatství.
* Obsahuje malé množství etanolu
Kefírová zrna
Fermentované mléčné nápoje
* Složení kefírové kultury
* Bakterie mléčného kvašení
Lactobacillus acidophilus, L. brevis, L. casei, L. casei subsp.
rhamnosus, L. casei subsp. pseudoplantarum, L. paracasei
subsp. paracasei, L. cellobiosus, L. delbrueckii subsp.
bulgaricus,L. delbrueckii subsp. lactis, L. fructivorans,
L. helveticus subsp. lactis, L. hilgardii, L. kefiri,
L. kefiranofaciens, L. kefirgranum sp. nov, L. parakefir sp.
nov, L. lactis, L. plantarum
Lactococcus lactis subsp. lactis, Lc. lactis var. diacetylactis,
Lc. lactis subsp. cremoris,
Streptococcus salivarius subsp. thermophilus,
Enterococcus durans,
Leuconostoc cremoris, Leuc. mesenteroides
Fermentované mléčné nápoje složení
kefírové kultury
* Kvasinky - Candida kefir, C.pseudotropicalis,
C. rancens, C. tenuis,
Kluyveromyces lactis, K. marxianus var.
marxianus, K. bulgaricus, K. fragilis /
marxianus, Saccharomyces lactis, Sacc.
unisporus, Debaryomyces hansenii,
Zygosaccharomyces rouxii
* Acetobakterie - Acetobacter aceti, A. rasens
Fermentované mléčné nápoje
* Kumys ­ vinum lactis - je tradičním nápojem kočovníků
střední Asie. Připravuje se z kobylího, velbloudího nebo
oslího mléka
* Kumys je mléčný šumivý alkoholický nápoj (1-3% obj.
etanolu, po 3 dnech až 8%), s vínovou chutí, příjemně
nakyslý. Je lehce stravitelný, urychluje látkovou výměnu,
způsobuje pocení a je močopudný
* Složení mikroflóry je značně nestabilní,
ale obsahuje vždy Streptococcus lactis,
Lactobacillus kumys, Lactococcus
lactis, Thermobacterium bulgaricum,
Saccharomyces kumys, Torulopsis
kumys a další
* K zaočkování mléka se používá sedlina
starého kumysu
Fermentované mléčné nápoje
kumys
* Obsahuje vitamíny B1, B2, B6 a B12.
Vitamínu C je přítomno o něco více než v
citrónu, 50 až 60 procent bílkoviny, (cukru
jako v mateřském mléce). Litr kumysu je
výživností srovnatelný s 800 gramy
dobrého chleba. Pacientům se podává
pouze 1 denní kumys
* dvoudenní kumys má 110 stupňů
kyselosti, ale pak začíná rychlé octovatět
Mléčné produkty
* Fermentované mléčné nápoje
* Sýry
- Čerstvé sýry
- Bílé sýry
- Měkké sýry
- Plísňové sýry
- Sýry s mletou sýřeninou
- Sýry z nízkodohřívané sýřeniny
- Sýry z vysokodohřívané sýřeniny
* máslo
Sýry
* Příprava tvarohu
* Jednodenní tvaroh
Smetanový zákys ­ Streptococcus lactis,
Streptococcus cremoris, Lactobacillus casei
Leuconostoc cremoris. Teplota srážení
mléka 20-22oC
* Dvoudenní tvaroh
Smetanový zákys ­ Streptococcus lactis,
Streptococcus cremoris, Leuconostoc
cremoris.Teplota srážení 16-18oC. Tvaroh je
jemnější s výraznější chutí
Sýry
Výroba sýřeniny
Krájení tvarohu
(harfování)
Čerstvé sýry
* Krémový sýr ­ 50% tuku v suš.
(jednodenní nebo dvoudenní tvaroh ­ tření v kutru ­
přídavek cukerinu +kyseliny citronové ­ balení do
válečků
* Imperial - 50% tuku v suš.,
Jednodenní nebo dvoudenní tvaroh + NaCl (do
1,5%)
* Kapiový sýr - 50% tuku v suš.
Jednodenní nebo dvoudenní tvaroh + smetana
(33%) +kapie+cibule+NaCl+Kari koření
* Smetanové krémy ­ 16% tuku v suš.
Jednodenní nebo dvoudenní tvaroh+cukr+(džem,
kakaová hmota, čokoláda nebo jiné chuťové
přísady)+ušlehaná smetana
Bílé sýry
* Sýry z ovčího nebo kravského mléka
vyráběné na Balkánském poloostrově a
Malé Asii. Spotřebovávají se jako
čerstvé nebo uchovávané v solném
nálevu (i více než rok)
* Obsah tuku v suš. 40-50%, obsah soli
6-8%
* Akawi, Istambuli, balkánský, Jadel
Měkké sýry
* Smetanový zákys+Lactobacillus casei
+Streptococcus lactis var.tae-tte
Desertní 20%t.vs., 1,5-3%NaCl
Kmínový 10%t.vs., 1,5-3%NaCl
Romadúr 20% t.vs., 1,5-3%NaCl
Romadúr 50% t.vs., 1,5-3%NaCl
Pivní 53% t.vs., 4,5-6,5%NaCl
* Doba zrání je obvykle 14 dnů a sýry se obden
ošetřují 3% roztokem NaCl
Plísňové sýry
* Patří mezi nejpikantnější sýry. Výběrem
vhodného kmene plísně je možné
prakticky vytvořit jakoukoliv chuť
* Sýry s plísní v těstě (Roquefort, Niva,
gorgonzola)
* Sýry s plísní na povrchu (Camembert,
Hermelín, nalžovský, De Brie
Plísňové sýry
Sýry s plísní v těstě
* Tento typ sýra byl vyráběn již dobách římských
ze syrového ovčího mléka
* U nás se vyráběl ze syrového kravského
mléka. Nyní se mléko šetrně pasteruje
(72oC, do 30 sekund)
* Zasýření ­ smetanový zákys + Penicillium
roqueforti+ Torulopsis sphaerica + sýřidlo
* Po naformování se sýry 5 dnů solí a po oschnutí
,,píchají" (očkování spor Penicillium roqueforti
­ 1cm2 jeden vpich). Další píchání je po deseti
dnech zrání při teplotě 12-14oC. Celková
doba zrání je 6-8 týdnů
Penicillium roqueforti
Stopy po jehle
Plísňové sýry
Sýry s plísní v těstě
Plísňové sýry
Sýry s plísní na povrchu
* Poprvé byl vyroben v roce 1791 v obci Camembert v
departmentu lÓrne paní Maria la Fontaine
* V malých mlékárnách se používá mléko kozí + mléko
kravské, ve velkých pak jen mléko kravské
* Zasýření ­ smetanový zákys ­ sýřenina se nekrájí,
tvořítka se plní postupně ­ druhý den se sýřenina
vyjme z tvořítek a očkuje Penicillium camemberti
(obvykle ve směsi s Penicillium candidum)
* Zrání ­ 5 dnů při teplotě 15oC, 10-14 dnů zrání při
13-15oC. Sýry zrají na lískách z bambusu nebo s
výpletem ze syntetického vlákna (denně se obracejí)
Plísňové sýry
Sýry s plísní na povrchu
Transport sýřeniny
do tvořítek
Tvořítka se sýřeninou na lískách
"Stohování" lísek
Plísňové sýry
Sýry s plísní na povrchu
AOC Camembert de Normandii
Sýry s mletou sýřeninou - Čedar
* Název podle vesničky Cheddar v Anglii, kde byl
poprvé vyroben
* Původně se vyráběl z kozího nebo ovčího
mléka, potom se přešlo na výrobu
z kravského mléka
* Zasýření ­ smetanový zákys + čedarová kultura
(Streptococcus faecium, Streptococcus faecalis)
+ Streptococcus thermophilus, Lactobacillus
helveticus + sýřidlo
* Během srážení se sýřenina přihřívá na až na
40oC a dosouší při této teplotě asi 70 minut
Sýry s mletou sýřeninou - Čedar
* Sýřenina při vypouštění
syrovátky se shrabuje ke
stranám, aby mohla volně
odtékat (čedarování)
* Rozkrájená sýřenina se
několikrát mele a solí
* Plnění do tvořítek a lisování
* Doba zrání 6-18 měsíců
* Váha klasického bochníku je
27,5 kg
* Vedle čedaru se dále vyrábí sýr
Otava (ČR), Kaškaval ­ na
Balkáně. Vyrábí se z ovčího
nebo kravského mléka
Sýry z nízkodohřívané sýřeniny
Aidam
* Původ technologie výroby těchto sýrů je v
severním Holandsku, proto jsou označovány
jako sýry holandské
* Patří mezi ně eidamská cihla, eidamská koule
(správný název je Edam. Po roce 1945 se v ČR
už objevuje pouze název EIDAM a asi už
nezjistíme proč), gouda, salámový sýr,mini
gouda, Javor, Světlan,.......
* Nejvyšší váhu má Javor ­ 11-13 kg, nejmenší
mini gouda 48 dkg
Sýry z nízkodohřívané sýřeniny
Aidam
* Zasýření ­ smetanový zákys + Streptococcus
cremoris + Streptococcus lactis subsp.
diacetilactis + Lactobacillus casei + sýřidlo
* Technologický postup ­ srážení mléka ­
odpouštění syrovátky ­ dohřívání (u sýrů 30%
t.vs.- 33-36oC, 40-45%t.vs. ­ 36-40oC) ­
dosoušení ­ plnění tvořítek ­ lisování (10 min.
0,1 kp, 10 min 0,2 kp, 10 min 0,3kp) ­ solení ­
zrání (ošetřování slanou vodou, pod vazelínou,
pod voskem, pod plísní, v Cutisinu)
* Doba zrání 3-8 týdnů
Sýry z nízkodohřívané sýřeniny
Eidam
* EIDAM - známý sýr s nesprávným názvem.
* Tento sýr získal svůj název od přístavního městečka Edam am
Ijseelmeer v severním Holandsku, kde se vyráběl již ve 14. století.
* Výroba byla rozvinuta hlavně v provincii Nord Holland (25 km
severně od Amsterdamu), ale brzy se rozšířila po celém Holandsku
a Edam (nebo Edammer kaas = Edamský sýr)
* Již od roku 1570 se v městě Edam pořádají až do dnešní doby
tradiční týdenní sýrové trhy
* Holandsku se Edam vyrábí v několika tvarových variantách: Baby
Edam - koule o hmotnosti 0,8 - 1,2 kg, Edam - koule
o hmotnosti 1,7 - 2,5 kg, Commisiekaas Komisní
sýr - (dvojitý edam) - koule o hmotnosti
3 - 4,5 kg, Middlebare edam - sýr kořeněný
kmínem, Broodkaas (Brood-Edammer) - hranol
o hmotnosti 2,5 - 4,5 kg a v nových sýrárnách
se Edam vyrábí i ve formě až 12 kg bloků.
Obvykle je sýr se žlutým nebo červeným voskem
Sýry z nízkodohřívané sýřeniny
Eidam
* Muži v historických uniformách
a s kloboučkem zabarveným
podle příslušnosti k obchodní
firmě přenášejí na speciálních
nosítkách až 80 koulí sýra, tedy
dohromady okolo 200 kg.
S edamskými sýry se podobně
obchoduje také na proslulém
sýrařském trhu v Alkmaaru
Je-li sýr pokrytý černým voskem, znamená to, že je uzrálý alespoň po
sedmnáct měsíců. Výborně se hodí k vínu Pinot Noir a pochopitelně k pivu
Sýry z vysokodohřívané sýřeniny
Ementál
* Patří k nejnáročnějším na kvalitu mléka i
technologii výroby
* Původ ementálu je ve Švýcarsku, kde nejlepší se
vyráběl v údolí říčky Emmen ­ proto
Emmenthaler Käse. Písemné doklady o výrobě
jsou z 15. století
* Původně se vyráběly sýry malé a později se jejich
velikost zvětšovala. Nyní, aby ve Švýcarsku se
mohl sýr označit jako ementálský, musí vážit
nejméně 70 kg (u nás 65 kg). Vyrábějí se i tzv.
malé ementály o váze 35-40 kg
* Představitelem je Ementál, dále pak moravský
bochník, Parmezán, Sbrinz, Toporocký sýr,
Trapist,....
Sýry z vysokodohřívané sýřeniny
* Zasýření ­ smetanový zákys + ementálská kultura
(Lactobacillus helveticus, Streptococcus thermophilus,
Lactobacillus casei) + propionová kultura
(Propionibacterium freudenreichii, Propionibacterium
freudenreichii susp. shermanii) + sýřidlo
* Technologický postup ­ srážení mléka ­ krájení sýřeniny
­ harfování - dohřívání na teplotu 53-55oC ­ dosoušení
­ plnění tvořítek ­ lisování (5x při různých tlacích) ­
solení ­ zrání (chladný sklep, předkvasný sklep, kvasný
sklep, přechodný sklep, zrací sklep ­celková délka zrání
asi 150 dní) - ošetřování slanou vodou - nyní centrální
zrací sklepy nebo zrání ve zvláštních fóliích
Sýry z vysokodohřívané sýřeniny
Ementál
* Propionová kultura zajišťuje
vytváření hladkých ok v sýru a je
také zodpovědná za buket ­ z
kyseliny mléčné tvoří kyselinu
propionovou, která spolu s Ca2+
dává propionan vápenatý, s
typickou nasládlou příchutí a
aroma
* Vedle typických organizmů jsou
také přítomné sporulující bakterie
(vytvářející těkavé kyseliny
dodávající sýrům jemné
příchuťové odstíny) a kvasinky
(Candida casei) podílející se na
rozkladu kaseinu a tvorbě
příchuťových látek
Sýrařské kotle s harfami
Zrací sklep
Výroba másla
* Výroba
z kyselé smetany
ze sladké smetany
Výroba másla
z kyselé smetany
mléko
odstředění
zakysání smetanovým zákysem
(Streptococcus lactis, Str. lactis
var. diacetylactis, Str. cremoris,
Leuconostoc cremoris,
Leuconostoc dextranicum
Leuconostoc citrovorum
smetana - úprava
zmáselňování
stloukání
máslo
praní, hnětení, solení
formování
balení
podmáslí
Výroba másla
z kyselé smetany
* Stloukání se provádí v máselnicích (dřevěných
nebo kovových) a získá se máselné zrno
* V dalším kroku se odlučuje máslové zrno od
podmáslí (dříve sběračkou)
* Praní - při praní se zrno omývá a chladí
* Hnětením se odlučuje přebytečné podmáslí
(voda) a dojde ke spojení jednotlivých zrn
* Dříve se máslo formovalo do šišek a balilo se do
křenových listů nebo do různě vyřezávaných
dřevěných forem
Výroba másla
z kyselé smetany
* Str. lactis vytváří kyselinu mléčnou
* Str.cremoris a Str. lactis var. diacetylactis
vytvářejí aromatické látky
* Leuconostoc tvoří aromatické látky z kyseliny
citrónové. Významná je tvorba diacetylu
* Produkty metabolizmu mikroorganizmů působí
antioxidačně, mají stabilizující a antimikrobiální
efekt
* Pro zvýšení stability a organoleptických
vlastností jsou do smetanového zákysu
přidávány kvasinky rodu Saccharomyces nebo
Torulopsis
Výroba másla
ze sladké smetany
* Postup je stejný jako u výroby z kyselé
smetany jen s tím rozdílem, že ke smetaně
se přidává technický zákys :
kyselina mléčná
kyselina octová
kyselina mravenčí
jodičnan draselný
aromatické látky (především diacetyl)
Fermentované nápoje
pivo
* Technologie výroby piva ­ etapy
Výroba sladu
Výroba mladiny
Kvašení a dokvašování piva
Fermentované nápoje
pivo - výroba sladu
* 1.fáze ­ máčení zrna
* 2.fáze ­ klíčení
* 3. fáze ­ hvozdění (příprava
světlého a tmavého sladu)
humna
Sladový hvozd
Fermentované nápoje
pivo - výroba mladiny
vystírací káď
rmutovací kotel
scezovací káď
mladinový kotel
vířivá káď
Fermentované nápoje
pivo - kvašení
* Hlavní kvašení probíhá v chlazených prostorách
­ spilkách
* Kvasné nádoby jsou
otevřené ­ kádě
betonové, ocelové
* uzavřené ­cylindricko
konické tanky (CK tanky)
Fermentované nápoje
pivo - kvašení
Bílé kroužky
Hnědé kroužky
Fermentované nápoje
pivo - dokvášení
* Dokvašování piva probíhá v
ležáckých nádobách
(dřevěných nebo kovových) při
teplotě 0-5oC
* Klesá zkvasitelný extrakt
* Kvasinky postupně sedimentují
a strhávají sebou část
vysokomolekulárních
dusíkatých a polyfenolových
látek
* Pivo se čeří a získává
přirozenou koloidní stálost
* Chemickými procesy získává
pivo odpovídající chuť a aroma
Fermentované nápoje
pivo ­ filtrace, expedice
* Po skončeném ležení se pivo
filtruje (směs celulózy a asbestu,
křemelina, pivovarská filtrační
hmota, perlity, filtrační desky,...)
* Stabilizuje ­ přidáním
stabilizátorů
* Stabilizátory - bentonity a
silikagely (adsorbují dusíkaté
látky), tanin (sráží dusíkaté látky),
polyamidy (adsorbují polyfenoly),
enzymové přípravky (např.
papain-štěpí vysokomolekulární
dusíkaté látky), antioxidační
preparáty (kys. askorbová,
glukózaoxidáza,..)
* Pasterace filtrovaného a
stabilizovaného piva
Fermentované nápoje
pivo - typy piv
* Piva spodně kvašená
* Plzeňský typ ­ světlé pivo 10 až 12% (původní
koncentrace mladiny), silně chmelené,
středně prokvašené
* Dortmundský typ ­ světlé pivo 13 až 14%
(původní koncentrace mladiny), hlubokjo
prokvašené, obsahující až 4,8% alkoholu,
mírně hořké
* Mnichovský typ ­ tmavé aromatické pivo až 14%,
výjimečně 19%, málo chmelené, nasládlé
chuti
* DIA pivo ­ 8 až 10% s minimálním obsahem
zbytkových, tzv. zatěžujících, sacharidů, je
hluboko prokvašené se zvýšeným obsahem
alkoholu
Fermentované nápoje
pivo - typy piv
* Piva svrchně kvašená (hlavní kvašení při
teplotách nad 10oC) ­ kvasinky většinou
r. Brettanomyces
­ "Ale"11 až 20%, mírně chmelená s velkou pěnivostí a
výraznou chutí po sladu
­ "Stout" a "Porter"tmavá vysokoprocentní, hluboko
prokvašená (6,8% alkoholu), silně chmelená
­ "Lambic"vysokoprocentní, hluboko prokvašené s
typickou chutí (výroba v Bruselu)
­ "Weissbier"středně prokvašená, středně chmelená s
nakyslou chutí (přítomnost mléčných bakterií) výroba
Německo
­ Většina piv produkovaných ve Velké Britanii a Belgii
Pivu podobné nápoje
* Pito ­ nealkoholický nápoj, při jehož přípravě se
vychází z 4% mladiny a zkráceného kvašení.
Doba kvašení je volena tak, aby obsah
alkoholu nebyl vyšší než 0,59%
* Ruský kvas ­ nápoj z ječného nebo žitného sladu,
žitné mouky. Kvasinky Saccharomyces
cerevisiae. Obsahuje asi 0,5% alkoholu
* Pombe ­ vyráběný z prosa činností
Saccharomyces pombe. Obsahuje asi 0,5%
alkoholu. Někdy se označuje jako "africké pivo"
Fermentované nápoje
víno
* Víno se vyrábí prakticky po celém světě. Polovina
celkové produkce je v Evropě (Itálie, Španělsko,
Portugalsko, Francie, Německo) a asi 20% je z jižní
a severní Ameriky
* V XV.století potulný mnich Basilius Valentinus naučil
vinaře odstraňovat z vína "faeces vini" (vinné
exkrementy) ­ stáčení vína
* Aktivita Pasteura ­ výběr kvasinek, pasterace vína
* Mikroorganizmy podílející se na výrobě vína : Kloeckera
appiculata, Saccharomyces cerevisiae var.
ellipsoideus, Saccharomyces oviformis,
Hanseniaspora guilliermondii, Lactobacillus ssp. (pro
jablečno-mléčnou fermetaci ­ snížení kyselosti vína)
Fermentované nápoje
výroba bílého vína
mletí hroznů
Lisování
Rmut ­ rozdrcené bobule
matolina
vylisované zbytky
mošt
SO2
kvašení
zrání
školení
filtrace
pasterace
Expedice
Fermentované nápoje
výroba červeného vína
školení
filtrace
pasterace
Expedice
lisování
matolina
mošt
zrání
kvasinky
"kvašení na slupkách"
kvašení
mletí hroznů
SO2
Fermentované nápoje
víno
* přírodní vína suchá
* vína přírodně sladká
* vína dezertní
* vína kořeněná
* vína šumivá
* vína perlivá
Fermentované nápoje
víno
* Vína přírodně sladká
Sauterenské výběry
typické odrůdy
Sauvignon, Semillon.
"Roi de vin et vin de rois"
Tokajská vína ­ pozdní
sklizeň,napadená Botrytis
cinerea. Odrůdy ­ Furmint,
Lipovina,Muškát. Do moštu se
přidávají "zhrozinkovatělé"
bobule, 10-12% etanolu, 10-15%
cukru.
Fermentované nápoje
víno
* Dezertní vína (slazená)
Dezertní vína přislazovaná ­ z běžných vín
přidáním hrozinek, sacharózy (100-150g/l) a
velejemného lihu, do 15% (Muškátová vína)
Dezertní vína likérová ­ zkrácením kvašení
moštu nebo přidáním koncentrovaného moštu a alkoholu
k přírodním vínům (Malaga, Madeira, Sherry, Mersala)
Dezertní vína kořeněná ­ přírodní vína s
přídavkem cukru, alkoholu a výluhu koření (pelyněk,
zeměžluč, kořen fialky a angeliky, máta, puškvorec,
skořice, koriandr, hřebíček muškátový ořech atd.
Extrakce ­ při +50°C ve směsi vína a alkoholu (Vermuty
­ Cinzano, Martini, Metropol ­ bílé, červené, hořké bitter
a suché). Obsah alkoholu 15-18% obj., 3-15% cukru
Fermentované nápoje
víno
* Dezertní vína likérová
Madeira ­ maderizace ­ mladé víno zraje
ve velkých sudech v prostorách nazývaných
estufas, které ohřívá slunce. Obsah alkoholu
18-20%obj. Může být i směsí několika ročníků.
Portské ­ kvašení ve velkých sudech s
přídavkem vinného destilátu (10l na 45 l
moštu). Mladé víno se přečerpá do menších
sudů, kde "odpočívá" několik měsíců. Sváží se do
Vila Nova de Gaia ­ zrání v 550 l sudech několik let
(nejméně 2 roky) ­ změna barvy - od fialově červené
po hnědou. Vína tawny ­ zrání v sudech 10-xx let
10 years old, 20 years old, over 40 years old.
Fermentované nápoje
víno
* Dezertní vína likérová
Sherry ­ mošt do tanků (40000 l)- kvašení
S.apiculata, S. cerevisiae var. elipsoideus
(cca 10 dní) ­ stočení do sudů (několik měsíců)
dolihování na 15-18%obj. - zrání v sudech z
amerického dubu (600 l) naplněných jen
do 2/3 objemu
Sherry systém solera ­ mladé víno je v
sudech umístěných nad sebou a vzájemně
propojených (z posledního se odebere 1/5 objemu a
doplní se z předchozího ­ cesta může trvat i několik
let). V každém sudu S.beticus - vytváří květ.
Úprava ­ přidání prvotřídního vína a koňaku.
Fermentované nápoje
víno
* Vína šumivá
* Klasická technologie
- 1700 Don Perignon
- Odrůdy ­ Chardonnay,
Pinot noir, Pinot meunier
- Klaret +tirážní likér+šampaňské kvasnice do
tlustostěnných lahví ­ kvašení (10°C, půl až
3 roky) ­ sedimentace kvasinek ­ degoržování
(odstřelení kvasinek) ­ doplnění dosážním
likérem (50% vína, 45% cukru, 5% vinného
destilátu) - zrání
Fermentované nápoje
víno
Perlivá vína
* Nejsou připravována druhotným kvašením
* Sycení vína oxidem uhličitým
* Nedosahují jemnosti a vyrovnanosti chuti
* Vazba oxidu uhličitého na extraktové složky je
velmi labilní
Fermentační výroba etanolu
* Výroba lihu destilací byla známa více než 2000
let před naším letopočtem
* Ve středověku byl líh řazen mezi základních
5prvků ­ Země, Voda, Vzduch, Oheň, Líh
* V lihovarnictví rozlišujeme výrobu :
zemědělského lihu (škrobnaté plodiny brambory,
obilí. Cukerné plodiny ­
cukrovka, polocukrovka, ovoce)
průmyslového lihu (substrát ­ melasa,
sulfitové výluhy, lignocelulóza ­ dřevní
odpad
Fermentační výroba etanolu
Schéma lihovaru
Fermentační výroba etanolu
Surovina
Melasa, cukrový roztok, škrob, celulóza
Úprava
Hydrolýza, čeření, filtrace, pasterace
fermentace
destilace
dehydratace
denaturace
výpalky
(hnojivo, krmivo,
palivo,
výroba metanu)
Kvasinky (Saccharomyces cerevisiae,
Kluyveromyces, Candida), CO2
rafinovaný etanol (96% obj.)
absolutní etanol
Lihoviny podle původu etanolu
* Lihoviny vyráběné kvasným pochodem ­ etanol vzniká
zkvašením sacharidických surovin pro výrobu lihovin.
Následující destilací a dalšími úpravami destilátu se
získá konečný výrobek, jehož charakter je určen
původní zpracovávanou surovinou (slivovice, brandy,
koňak, whisky, calvados, ...)
* Lihoviny vyráběné studenou cestou bez kvašení ­
připravují se smícháním jednotlivých složek. Základní
surovinou je rafinovaný líh (vyrobený v oddělených
lihovarech). Dalšími složkami jsou cukr, ovocné
suskusy a šťávy, destiláty, maceráty bylin a drog apod.
(vodka, gin, Becherovka, tuzemský rum, ....)
Lihoviny vyráběné kvasným pochodem
* Malt whisky ­ surovina: ječný slad, při sušení
rašelinným kouřem získává typickou kouřovou vůni;
zraje 4 a více let v sudech z bílého dubu, vypálených
svítiplynem
* Grain whisky ­ surovina: další druhy nesladovaných
obilnin a kukuřice; zraje 4 a více let v dubových
prožehnutých sudech
* Bourbon whisky ­ surovina: převážně kukuřice; zraje 4
a více let v dubových sudech
* Ray-whisky ­ surovina: žito; zraje 4 a více let
* Slivovice ­ surovina: švestka nebo bluma; zrání několik
let v sudech (již po jednom roce žlutohnědé zbarvení),
pří zrání ve skle bezbarvá. Kvalitní slivovice při nalití do
sklenice tzv. prstýnkuje (vytváří drobné praménky
kondenzujícího alkoholu stékající zpět do sklenice)
* Brandy ­ surovina: víno na pálení; zraje v dubových
sudech 4 a více let. U méně kvalitní brandy umělé
zestaření a pro zaokrouhlení chuti se přidávají
bonifikátory (macerát z rozinek, fíků, ořechů,
svatojánského chleba, mandlí, ..). Označení koňak
pouze pro produkty společnosti Cognac
* Pravý rum ­ surovina: třtinová melasa a další odpad při
výrobě třtinového cukru; zraje minimálně 4 roky.
Jemnější jsou pro přímou konzumaci, více aromatické
součást receptur značkových lihovin
zrání
destilace
fermentační tank
příprava směsi
Šrotovník
kvasinky
Produkc e antibiotik
* Antibiotika jsou v přírodě se
vyskytující látky produkované
organizmy, které inhibují
aktivitu (funci) jiných
organizmů, nebo je usmrcují
* Je známo více než 10 000
antibiotik, ale komerčně se
využívá asi 100
* Antibiotika jsou sice
produkována organizmy, ale
patří sem i látky syntetické,
odvozené na základě
přirozených zdrojů
* Některá antibiotika mohou
být semisyntetická
Některá antibiotika produkovaná
mikroorganizmy
Penicilin Penicillium chryzogenum
Bacitracin Bacillus licheniformis
Chlortetracyklin Streptomyces autreofaciens
Chloramfenikol Streptomyces venezuelae
Neomycin Streptomyces fradiae
Nystatin Streptomyces noursei
Streptomycin Streptomyces griseus
Polymyxin Bacillus polymyxa
Fermentory pro výrobu antibiotik
chladící voda
kultivační medium
vzduchovací rošt
sterilní vzduch
výpusť
chladící voda
chladící plášť
míchadlo
odpěňovač
výdech
řízení pH
detekce pH
živiny, organizmus
Peniciliny ­ -laktámová antibiotika
N-acylová skupina
-laktamový
kruh
thiazolidinový
kruh
6-aminopenicilánová kyselina
N-acylová skupina
přírodní benzylpenicilin (G-penicilin,
citlivý k -laktamáze)
Semisyntetické peniciliny
Methicilin (rezistentní k -laktamáze)
Oxacilin (rezistentní k -laktamáze)
Ampicilin (široké spektrum účinnosti, i
proti G- bakteriím, rezistentní k
-laktamáze)
Cabernicilin (široké spektrum účinnosti,
i proti G- bakteriím ­ Pseudomonas
aeruginosa, rezistentní k -laktamáze)
Produkční schéma na výrobu
chlortetracyklinu
Inokulum
(spóry)
agarové
misky
třepaná
kultura
fermentor
předfermentor
purifikace z media
po odstranění buněk
24 h
19-24 h, pH 5,2-6,2
spóry jako inokulum
60-65 h,
pH 5,8-6,2
Růstové médium:
2% kukuřičný výluh,
0,5% asparagin, 1% glukóza,
0,5% K2HPO4, 1,5% agar
Médium pro fermentaci:
1% sacharóza, 1% kukuřičný výluh,
0,2%(NH4)2HPO4, 0,1% CaCO3,
0,025%MgSO4, 0,005% ZnSO4,
0,00033% CuSO4, 0,00033% MnCl2
Steroidy a biotransformace
* Steroidy jsou deriváty sterolů, součástí řady
hormonů regulujících některé metabolické dráhy.
Některé steriody jsou využívány přímo v terapii
* Steroidy mohou být získávány buď chemickou
cestou (což je obvykle finančně nákladné) nebo
kombinací chemické cesty a biotransformace
Produkce cortisonu biotransfomací Rhizopus nigricans
Rhizopus
nigricans
Biotransformační
stupeň
Chemická
reakce
Chemická
reakce
Vitaminy
B2
riboflavin
B12
cyanokobalamin
Komerčně je vyráběn ve velkém množství především vitamin B12 a B2
Saccharomyces cerevisiae, Corynebacterium sp.
Corynebacterium acetobutylicum, Candida famata,
Candida flareri, askomycety - Ashbya gosypii,
Eremothecium ashbyi
Propionibacterium freudenrichii, Propionibacterium
shermanii, Protoaminobacter ruber, Micromonospora
purpurea, Streptomyces aureofaciens,
Streptomyces griseus
Vitaminy
Vitamin C (kyselina askorbová)
Glukóza
kys.glukonová
kys.5-ketoglukonová
kys.idonová
kys.2-ketogulonová
kys.diaceton-2-ketogulonová
kys.askorbová
Acetobacter melanogenum
Acetobacter suboxidans
Acetobacter suboxidans
Pseudomonas mildenbergii
sorbóza Sorbitol
Acetobacter suboxidans
kys.vinná
Acetobacter suboxidans
chemicky
Aminokyseliny
Základní reakce při syntéze kyseliny glutamové
Glukóza
glykolýza
pyruvát+pyruvát
kys.oxaloctová
acetát+
izocitrát
-ketoglutarát
NADP+
NADPH
glutamová
kyselina
-ketoglutarát
NH3
CO2
CO2
Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium sp., Arthrobacter sp., Microbacterium,sp.
Organizmy:
Aminokyseliny
Komerčně produkované aminokyseliny a mikroorganizmy
Aminokyselina Organizmus Průměrný výtěžek Zdroj uhlíku
Glutamová kyselina Corynebacterium glutamicum >100 glukóza
Lyzin Corynebacterium 39 glukóza
Lyzin Brevibacterium flavum 75 acetát
Threonin Escherichia coli K12 55 sacharóza
g/l
Aminokyseliny
Využití aminokyselin v potravinářském průmyslu
Aminokyselina Roční produkce Použití Účel
L-glutamát 370.000 různé potraviny zlepšení chutě
(monosodium glutamát)
L-aspartát a alanin 5000 ovocný džus "zakončení" chutě
L-cystein 700 chléb zlepšení chutě
glycin 6000 slazení potravin zlepšení chutě a aroma;
startovací bod pro
organické syntézy
L-tryptofan+L-histidin 400 různé potraviny,
sušené mléko
L-lyzin 70.000 chléb(Japonsko),
přísada
DL-methionin 70.000 výrobky ze sóji, přísada doplněk výživy
antioxidant,
doplněk výživy
doplněk výživy
t/svět
Produkce organických kyselin
kyselina octová - ocet
* První zmínky o výrobě octa se objevují asi 10000 let
př.n.l.
* O octu jsou zmínky ve Starém i Novém Zákonu
* Pro alchymisty byl ocet jedna z nejvýznamnějších
surovin
* Po domácku byl ocet původně připravován "kvašením"
alkoholických nápojů a používal se hlavně jako
rozpouštědlo, lék, nápoj, ....
* Mikrobiologickou podstatu přípravy octa popsal v r. 1868
L.Pasteur a potvrdil tak objev Kützinga z r. 1837
(popsal příčinu octového kvašení)
* Rychlý rozvoj výroby octa byl zaznamenán v 19. století,
kdy se začal používat jako pochutina k okyselování,
kořenění a konzervaci
Produkce organických kyselin
kyselina octová - ocet
CH3CH2OH
CH3CHO
CH3CH2(OH)2
CH3COOH
H2O
alkoholdehydrogenáza
+  O2
H2O
acetaldehyddehydrogenázaNADP+
NADPH+H+
Schéma oxidace etanolu octovými bakteriemi
Reakce je silně exergonická se silným uvolňování tepla
CH3CH2OH + O2 CH3COOH H2O + 455 KJ/mol
Produkce organických kyselin
kyselina octová - ocet
* Komerční ocet ­ zředěním kyseliny
octové. Ve většině zemí je tento
technologický postup zakázán
* Kvasný ocet ­ oxidací substrátů s různým
obsahem etanolu
* Základní technologické postupy
pomalé octaření ­ orleánská metoda
rychlé octaření ­ německá metoda
submerzní fermentace
Produkce organických kyselin
kyselina octová ­ ocet
orleánská metoda
* Kádě nebo sudy z dubového dřeva o bjemu 2-3 hl
(poměr šířka:výška = 3:1)
* Ředina ­ vinný ocet + víno (zpravidla 2:4)
* Doba fermentace cca 5 týdnů, ocet obsahuje
asi 6% hm. kyseliny octové a 0,5% zbytkového
etanolu. V průběhu fermentace je možné přidávat další etanol.
* Při fermentaci se vytváří mázdra ­ blanka na povrchu kapaliny, s
obsahem octových bakterií
* Po skončení fermentace se většina tekutiny odpustí a přidá se nové
víno
* Ocet má velmi příjemné a vyvážené aroma (značný obsah
organoleptických látek, vznikajících při procesu)
* Z hlediska současného stavu je tento proces již neekonomický
* Organizmus Acetobacter aceti subs. orleansis
Produkce organických kyselin
kyselina octová ­ ocet
německá metoda
výdech
Fringsova velkoocetnice
rozdělovací prostor (nivelační vana ­
k regulaci průtoku substrátu ocetnicí;
Segnerovo kolo ­ rozstřikování
substrátu+buňky po povrchu nosiče)
oxidační prostor (hobliny nebo jiný
nosič sloužící k fixaci produkčních
buněk; zde probíhá vlastní proces
oxidace etanolu)
sběrný prostor (shromažduje
substrát stékající po nosiči,
vzduchování vzdušnícím roštem)
bukové hobliny
O2
čerpadlo
Objem dřevěné (dubové nebo
modřínové dřevo) velkoocetnice
je 500-600hl
Produkce organických kyselin
kyselina octová ­ ocet
německá metoda
* Základní surovina ­ kvasný etanol různé kvality (víno, pivo,
zemědělský líh, ..)
* Ředina ­ 3%etanol + 8% kyseliny octové
* Ředina se napouští do sběrného prostoru a čerpadlem do nivelační
vany a Segnerovým kolem ředina skrápí náplň (bukové hobliny,
může být i pemza, dřevěné uhlí, koks nebo jiný silně porézní
materiál. Regenerace se provádí asi po 5 letech, celková výměna
náplně po 20 letech)
* Oxidační prostor - částečně zoxidovaný substrát se jímá ve sběrném
prostoru a vrací se zpět do nivelační vany
* Proces se opakuje tak dlouho, až obsah etanolu klesne asi na
0,3%. Vyrobený ocet má cca 11%hm. kyseliny octové
* Proces trvá přibližně týden
* Výtěžnost je asi 90%
* Organizmus ­ Acetobacter aceti subsp. aceti (důležitá je přítomnost
sacharidů v ředině, protože by octové bakterie pokrývaly potřebu
uhlíku využíváním etanolu nebo kyseliny octové)
Produkce organických kyselin
kyselina octová ­ ocet
submerzní metoda
* Ředina ­ víno, pivo, zemědělský etanol. Připravuje se
stejně jako pro rychlé octaření (10%obj. etanolu a 1%hm
kyseliny octové
* Kvašení probíhá v acetátoru (fermentační tank dřevěný,
kovový) o obsahu 50-500 hl. Zásadní podmínkou je
míchání (turbinové míchadlo) a intenzivní vzdušnění
(acetátor o kapacitě 300hl vyžaduje 80 m3.h-1 vzduchu)
* Vzdušnění se nesmí v průběhu fermentace přerušit. Po
zastavení přívodu vzduchu na 1 min. se fermentace
zastavuje (vznik acetaldehydu ­ důsledek odumření
buněk)
* Fermentace je ukončena při poklesu koncentrace
etanolu na 0,1-0,3%hm.
* Výkon acetátoru o kapacitě 300 hl je asi 60hl octa za 24
hodin (3x větší výkon než velkoocetnice stejného
objemu)
Produkce organických kyselin
kyselina octová ­ ocet
* Úpravy octa
Čiření ­ odstraňování komplexů kovů s bílkovinami
(bentonit)
Filtrace ­ odstranění mechanických nečistot (směs
bavlna+celulóza, křemelina; ultrafiltrace ­
mikroporézní membrána, odstraňovány jsou
látky o mol.hmotnosti od 100000)
Zrání ­ přefiltrovaný ocet se napouští do dubových
kádí, kde zraje asi 3 měsíce (vytváření látek,
které dodávají charakteristické aroma,
především etylacetát a další)
Pasterace a plnění do lahví
Produkce organických kyselin
kyselina mléčná
* Z hlediska technologického mají význam především
bakterie uskutečňující homofermentativní mléčné
kvašení
* Podle vztahu k teplotě jsou využívány termofilní Lactobacillus
delbreuckii subsp. delbreuckii,
L. delbreuckii subsp. bulgaricus, L. thermophillus nebo
mezofilní Streptococcus lactis a Pediococcus sp.
* Bakterie mléčného kvašení vedle zdroje uhlíku vyžadují i
dusíkaté látky, částečně jako aminokyseliny, některé
vitaminy a minerální látky (především fosfor)
* Na produkční kmeny působí inhibičně i nízké
koncentrace volné kyseliny mléčné. Pokles pH na 4,5
fermentaci zastavuje úplně
Produkce organických kyselin
kyselina mléčná
* Technologický postup
* Fermentory o kapacitě 20-100m3, mechanicky míchané.
* Substráty ­ škrobnaté nebo cukerné (melasa,
sacharóza, glukóza, bramborový nebo rýžový škrob,
rýže, syrovátka). Škrobnaté suroviny musí být nejprve
hydrolyzovány (enzymaticky nebo chemicky) - mléčné
bakterie nemají amylázy. Počáteční koncentrace
sacharidů ­ 5-15%.
* Vznikající kyselina mléčná je neutralizována přídavkem
uhličitanu vápenatého nebo hydroxidu vápenatého
* Doba fermentace 2-6 dnů. Výtěžek bývá 90-85%hm.
(Vztaženo na počáteční sacharid)
Produkce organických kyselin
kyselina mléčná
* Izolace
* Kyselina mléčná je ve získávána o čistotě: technická,
potravinářská, farmaceutická
* Ve fermentoru je kyselina mléčná přítomna ve formě
mléčnanu vápenatého. Ten se zahřátím převede do
roztoku.
* Odfiltrování mechanických nečistot a bakterií
* Přidání kyseliny sírové kyselina mléčná + sádra, která
se od roztoku oddělí
* Odstranění barevných látek na aktivním uhlí. Další
purifikační kroky (ionex, elektrodialýza, extrakce
rozpouštědly,...)
Produkce organických kyselin
kyselina mléčná
* Komerční využití kyseliny mléčné
* Potravinářská (60%roztok) ­ má velmi jemné
příjemné aroma ­ při výrobě ovocných štáv,
sirupů, cukrovinek (nahrazuje kyselinu
citrónovou), ke konzervaci (zeleniny, ovoce, ryb)
* V chemické výrobě ­ příprava kyseliny akrylové
­ výrova plexiskla a plexigumy
* V koželužství ­ dekalcinace kůží
* V barvířství ­ jako mořidlo
* Ve farmaceutickém průmyslu ­ Ca, Fe soli
(vysoká čistota obsah více než 90%)
Produkce organických kyselin
kyselina citronová
* Izolace kyseliny citrónové z citronové šťávy r.1784
Scheel
* První komerční výroba kys. citrónové z citrónové šťávy v
r.1826 Sturge (Anglie)
* V r. 1893 (Wehner) zjištěna při produkci kyseliny
šťavelové Penicilium glaucum
* Záhorský v r. 1913 získal patent na produkci kys.
citrónové Aspergillus niger
* Podklady pro průmyslovou výrobu s produkčním
kmenem Aspergillus niger ­ J. Currie v r. 1917
* První otevření výroby r.1928 - Kaznějov u Plzně, Belgie,
USA, Anglie
Produkce organických kyselin
kyselina citrónová
Glukóza
pyruvát
oxalacetát acetyl-koA
kys. citrónová
CO2
n-alkány
Velmi zjednodušené schéma biosyntézy kys. citrónové
U produkčních kmenů se dosáhlo nadprodukce kys. citrónové cílenými mutacemi,
které měnily aktivitu enzymů Krebsova cyklu (vysoká ­ u enzymů tvořících kys.
citrónovou, nízká ­ u enzymů odbourávajích)
Produkce organických kyselin
kyselina citrónová
* Výroba probíhá za aerobních podmínek
* Důležitá je přítomnost stopových prvků ­
Fe, Zn, Cu, Mn
* Produkce je těsně spojena s pH ­ při pH
<2 silná produkce kys. citrónové;
>3 nadprodukce kys. oxalové a glukonové
* Technologické postupy :
povrchová fermentace
submerzní fermentace
Produkce organických kyselin
kyselina citrónová
povrchový způsob
* Proces probíhá v nerezových vanách
umístěných v klimatizovaných komorách ve
sterilním mediu (melasa, ..) + spóry Aspergillus
niger + kys. fosforečná
* Kys. fosforečná by měla být vyčerpána do
skončení tvorby mycelia. Teprve potom dochází
k syntéze kys. citrónové. Pokud je koncentrace
fosforu vysoká, tvoří se mycelium, ale ne kys.
citrónová
* Doba fermentace 8-9 dní
* Medium obsahuje asi 10%hm. kys. citrónové
Produkce organických kyselin
kyselina citrónová
submerzní způsob
* Fermentace probíhá v uzavřených fermentorech za
intenzivního míchání, aerace a regulace teploty
* Růst, povaha a produkce se reguluje vhodným
nastavením složení média (zejména koncentrace P, Fe,
Mn), hodnota pH, způsob aerace a míchání
* Maximální produkce je při pH<2
* Organizmy: dříve - Aspergillus niger, Penicillium sp.;
nyní - Aspergillus niger,
Aspergillus wentii, Aspergillus clavatus,
Botrytis cinerea, Mucor piriformis,
Trichoderma viridae, Arthrobacter sp.,
Candida tropicalis, Yarrowia lipolytica
Produkce organických kyselin
kyselina citrónová
* Izolace
Filtrace ­ oddělení mycelia od kultivačního média
Promytí mycelia
Filtrát ­ srážení kyselin vápenným mlékem za horka
při pH 5,8
Odfiltrování vysráženého citranu vápenatého
Přidání kyseliny sírové ­ volná kyselina citrónová +
sádra
Sorbce na aktivním uhlí ­ odstranění doprovodných
látek
Ionex + zahuštění + krystalizace
Produkce organických kyselin
kyselina citrónová
* Využití
* V potravinářském průmyslu (výroba cukrovinek,
nealkoholických nápojů, ovocných šťáv
(podporuje účinek antioxidantů, zpomaluje
degradaci vitaminů a aromatických látek),
konzervační prostředek
* Farmaceutický průmysl ­ stabilizátor vitaminu C,
součást efervescentních přípravků
* Technicky ­ výroba detergentů ­ nahrazuje
fosfáty
Produkce biopolymérů
exopolysacharidy
* Mikrobiální polysacharidy se uplatňují nejen ve farmacii,
a potravinářském průmyslu, ale i v geologickém
průzkumu, průmyslu nátěrových hmot a textilním
průmyslu
* Mikrobiální
homopolysacharidy ­ jsou tvořené jedním typem
sacharidové jednotky (glukany, manany,
dextrany)
heteropolysacharidy jsou tvořené komplexy
vysokomolekulárních větvených struktur
obsahujících tři a více typů monosacharidů
(glukomanany, galaktomanany)
* Exopolysacharidy mimo sacharidové jednotky obsahují
také uronové kyseliny (kys. glukuronová), acylové
skupiny (acetát, mravenčan, pyruvát) nebo anorganický
fosfát
Produkce biopolymérů
exopolysacharidy
xantan
* Xantan je produkován zástupci rodu Xantomonas
(X.campestris)
* Průmyslová výroba fa Merck 1963
* Patří mezi hydrokoloidy (látky vázající vodu) ­ používá
se jako zahušťovadlo roztoků na vodní bázi a dále jako
stabilizátor
* V potravinářském průmyslu se využívá při výrobě
(používá se pod názvem xantanová guma):
salátové tekoucí dressingy,masové šťávy a omáčky,
masné produkty (šunka, drůbež), zmrzliny, nápoje ­
džusy, cukrovinky, pečivo, zejména litá těsta a
některé speciální výrobky: palačinky a lívance,
muffins, biskvity, nízkokalorické chleby a pečivo,
bezlepkové výrobky, mražené a chlazené pečivo.
Finální výrobky zůstávají déle čerstvé, křehké a mají
zpomalené vysychání (tvrdnutí).
Produkce biopolymérů
exopolysacharidy
xantan
* Je ideální jako stabilizátor pro zubní pasty a gely nebo
ve farmaceutických přípravcích
* V průmyslu xantan využívá jako stabilizátor
rozstřikovaných látek, stabilizuje vodou ředitelné barvy,
přísada do keramických glazur, ...
* Využívá se i v mléčných náhražkách pro telata a selata
nebo při výrobě šťavnatých krmiv pro domácí mazlíčky
Produkce biopolymérů
exopolysacharidy
dextran
* Producent ­ Leuconostoc mesenteroides
* Dextran je polymer -D-glukózy. Řetězec může být
větvený. Některé kmeny produkují dextran s
heterogenními vlastnostmi
* Mechanizmus syntézy dextranu je dosud nejasný
Produkce biopolymérů
exopolysacharidy
dextran
* Komerční využití
- Výchozí materiál pro výrobu biologicky odbouratelných
polykationtů a polyaniontů ­ využití ve fotografickém a
kosmetickém průmyslu, při čištění vod, v zemědělství
- Přísada pro stabilizaci mražených mléčných produktů
- Použití jako stabilizátoru při výrobě hotových jídel (z masa,
zeleniny, ryb
- V cukrovinkách zabraňuje krystalizaci, zvyšuje viskozitu,
udržuje vůni
- V poslední době se hodně používá při výrobě
nealkoholických nápojů, aromatických výtažcích a polev
Produkce enzymů
fermentor - kultivace kultury
rozbití buněk
centrifugace ­ oddělení
zbytků buněk a
mechanických nečistot
hrubý enzymový preparát.
Vhodný pro průmyslové
využití.
purifikace na
chromatografických
kolonách
pro aplikaci v medicíně,
nejvyšší možný stupeň
purifikace
Organizmy produkují širokou škálu
enzymů, ale jen v malém množství ­ "pro
potřebu buňky". Některé organizmy jsou
však schopné produkovat určité typy
enzymů ve větším množství. Zásahem z
vnějšku nebo mutací je možné
dosáhnout u těchto organizmů
nadprodukce enzymů a to jak
intracelulárních, tak i extracelulárních. V
současné době jsou enzymy intenzivně
využívány i komerčně. Nejčastěji se s
nimi setkáme v potravinářském a
farmaceutickém průmyslu. Svoje místo
mají i v kožedělném průmyslu a při
výrobě detergentů. Výhodné je i jejich
využití v analytice ­ enzymové elektrody
Produkce enzymů
Enzym Zdroj Aplikace
Amyláza Bacillus subtilis v potravinářství (výroba piva,
etanolu, pekárenský průmysl)Bacillus diastaticus
Aspergillus niger
Proteáza Bacillus subtilis v potravinářství (pekařství- zkracují
přípravu těsta, sýrařství ­ sýřidlo),
krmivářství(zvýšení účinnosti výkrmu),
kožedělném průmyslu (úprava usní),
výroba pracích prášků, doplněk stravy
Aspergillus niger
Aspergillus oryzae
Aspergillus flavus
Glukózaoxidáza Penicillium notatum odstraňování glukózy, testovací proužky
pro diabetikyAspergilus niger
Lipáza Micrococcus výroba sýrů, potravinový doplněk
Produkce enzymů
V některých technologických postupech se mohou používat enzymy, nebo
mikrobiální buňky, opakovaně. V těchto případech je ekonomicky výhodné navázat
enzymy nebo buňky na nosič ­ imobilizované enzymy, imobilizované buňky.
Vazba na nosič mimo jiné i enzym stabilizuje a omezuje negativní působení na
reakci. Některé reakce mohou probíhat kontinuálně.
Vazba enzymu na nosič
(adsorbce, iontová nebo
kovalentní vazba; nosič
­ modifikovaná celulóza
aktivní uhlí, pemza,
upravený polystyren, ..)
Polymerizace"
enzymu" (enzym
amino skupinou se
chemicky váže na
glutaraldehyd)
Mikroinkapsulace
uzavření enzymu do
mikrokapsuly z
polymerního
materiálu
nebo fibrozních
polymérů
(např.acetátcelulóza)
Příprava lidských proteinů
* Díky své schopnosti metabolizovat nejrůznější substráty jsou
bakterie a kvasinky tradičně využívány k přípravě pokrmů a nápojů.
Metody genového inženýrství umožňují nejen upravovat jejich
metabolické dráhy, ale otevřely i cestu k jejich využívání
pro přípravu cizorodých produktů, které jsou běžně vytvářeny
rostlinami nebo živočichy včetně člověka.
* Při vnášení genů z vyšších organismů (rostlin nebo živočichů)
do bakterií s cílem dosáhnout tvorby cizorodého produktu je obvykle
nutné cizí gen nejdříve vhodně pozměnit. Bakterie mají odlišné
regulační oblasti, které jsou nezbytné pro to, aby se jejich geny
v buňce projevily. Geny přenesené do bakterií z vyšších organismů
v nich proto nejsou obvykle aktivní, ale musí se "upravit".
* Řešením je připojení cizích genů ke genům bakterií, nebo začlenění
cizího genu přímo do genu bakteriálního, což vede k vytvoření
chimérních produktů, z nichž se dodatečně bakteriální část
odštěpí.
Příprava lidských proteinů
* Pro docílení úspěšné exprese eukaryotických
genů v bakteriích se musí nejdříve vytvořit
v laboratoři genový konstrukt (transgen), který
bude v bakteriích fungovat stejně dobře jako
v buňkách původního organismu - optimalizace
genové exprese. Po vytvoření se genový
konstrukt vnese do produkčního kmene
* První produkty připravené metodami genového
inženýrství v geneticky pozměněných bakteriích
byly lidský inzulin (1982) a růstový hormon,
které lze díky jejich jednoduché struktuře
připravit v bakteriích v aktivní formě
Příprava lidských proteinů
chemické spojení
humulin (lidský inzulin)
buňky
produkují
a
exkretují
protein
B protein
růst ve fermentoru
A protein
růst ve fermentoru
B genA gen
B genA gen
Lidská DNA
štěpení
plazmidu
E. coli
restrikčním
enzymem
Produkce lidského inzulinu
rekombinantními kmeny
Escherichia coli
Příprava produkčního kmene
Za optimálních podmínek může inzulin
představovat až 20% celkové
hmotnosti bakteriální buňky
Příprava lidských proteinů
Fermentory na "výrobu" inzulinu
Buňky E.coli obsahující lidský interleukin
Příprava lidských proteinů
* Bakteriální buňky jsou sice výbornými producenty
cizorodých bílkovin, ale jejich posttranslační úpravy jsou
jiné nežli u eukaryot. Proto se ve větší míře začíná
využívat kvasinkovitých organizmů
* Mezi kvasinkami zaujímá přední místo Pichia pastoris,
která je málo náročná na kultivační prostředí. Jako zdroj
uhlíku a energie je možné používat metanol. Proto
složení media je jednoduché a také izolace produktů
vyžaduje malý počet purifikačních kroků
* Hlavní předností P.pastoris, oproti bakteriálním
expresním systémům, je schopnost provádět
posttranslační modifikace typické pro vyšší eukaryota,
jako je vytváření signálních sekvencí (pre i prepro typ),
ohýbání, tvorba disufidických vazeb, určité typy adicí,
glykozylace
Některé heterologní proteiny
produkované P. pastoris
Bakterie
Bacillus licheniformis -amyláza
Clostridium botulinum neurotoxin
Escherichia coli -galaktozidáza
Escherichia coli -laktamáza
Staphylococcus aureus
stafylokináza, ...
Houby
Aspergillus fumigatus kataláza
Aspergillus niger fytáza
Candida rugosa lipáza
Geotrichum candidum lipáza
Rhizopus oryzae lipáza
Saccharomyces cerevisiae invertáza
Schizophyllum commune vitamin B2
Trametes versicolor lakáza, ....
Obratlovci
Bovinní enterokináza, bovinní lysozym c2, bovinní opsin,
bovinní trypsin, bovinní ­laktoglobulin, bovinní kasein,
myší endostatin, krysí acetylcholinesteráza, ...
Člověk
endostatin, fibrinogen, inzulin, interleukin, sérový
albumin, throbomodulin, růstový faktor, ...
do roku 2000 to bylo více než 80 heterologních proteinů
Výroba potravinářské a krmné
biomasy ­ SCP (single cell proteins)
* Mikrobní biomasa má sloužit především jako
zdroj bílkovin, vitaminů, fosfolipidů atd.
* Cílem je získat produkt s vysokým obsahem
požadované složky ­ především bílkoviny. Dříve
se propagovala tam, kde nebyla dostupná jiná
bílkovina. V takovém pojetí se jeví jako
ekonomicky nezajímavá a nemůže konkurovat
např. sojové bílkovině
* Ekonomicky schůdné je však komplexní využití
vyprodukované biomasy. Jednotlivé produkty
mohou potom nalézt uplatnění ve výživě,
zdravotnictví, zbytky pro přípravu krmiv atd.
Výroba potravinářské a krmné
biomasy ­ SCP (single cell proteins)
* Klasickým organizmem je Saccharomyces
cerevisiae (pekařské droždí)
* Pro potravinářské účely se kultivovala na melase
a sušila se při vyšších teplotách (biomasa
nebyla aktivní). Sušená biomasa se používá
jako přísada do polévek, omáček, masných
výrobků,...
* Pro krmivářské účely se využívá
Saccharomyces ojediněle (většinou ke zkrmení
nekvalitního droždí)
Výroba potravinářské a krmné
biomasy ­ SCP (single cell proteins)
* Vedle Saccharomyces se v současné době využívají
kmeny rodu Candida. Většina používaných kmenů
produkuje minimálně 50% bílkovin v sušině. Tyto kmeny
jsou výhodnější i svými menšími nároky na výživu a
tolerují media s vyšším obsahem solí
* Candida utilis, Candida tropicalis, Candida
pseudotropicalis, Candida robusta, Candida scottii,
Candida ingens, Candida crusei, Candida mogii,
Candida boidinii a další
* Ostatní kvasinkovité mikroorganizmy jako Yarrowia
lipolytica, Hansenula anomale, Hansenula
polymorfa, Hansenula capsulata, Pichia pastoris
a další
* V některých speciálních případech jsou využívány i
bakterie Methanomonas methanica, Pseudomonas
methanica (při výrobě biomasy ze zemního plynu)
Výroba potravinářské a krmné
biomasy ­ SCP (single cell proteins)
* Melasa ­ v současné době jen ve výjimečných případech
* Lihovarské výpalky
* Sulfitové výluhy (po výrobě celulózy)nebo hydrolyzáty dřeva
* ,,Citrolouhy" (po výrobě kyseliny citrónové)
* Syrovátka a další "odpady" z potravinářské výroby, případně
zemědělství
* n-alkány
* Etanol, metanol ­ mohou být připraveny velmi čisté a získané SCP
je nejvyšší kvality
* SCP (bakterie, kvasinky) obsahuje 70-80%hm. čistých bílkovin
* Mikrobní biomasa se vyznačuje dost vysokým obsahem nukleových
kyselin (především RNA). Jejich obsah je v korelaci s obsahem
bílkovin a pohybuje se v rozmezí 8-15% sušiny. Maximální denní
dávka pro člověka je 2g nukleových kyselin, což odpovídá asi 20g
mikrobiální biomasy
Substráty pro přípravu SCP
ČOV Modřice (Brno)
Kapacita 513 000 EO
Na biologickém čištění v aerobní části se podílí 200 t a v anaerobní stabilizaci kalu
části 45 t mikroorganizmů
Biologické čištění odpadních vod
Biologické čištění odpadních vod
Schéma čistírny odpadních vod Modřice
Biologické odstraňování dusíku
Anoxický reaktor
Oxický reaktor
Odpadní voda
Vyčištěná voda
Přebytečná biomasaNitrifikační mikrorganizmy
Nitrospira, Nitrosoccus, Nitrosomonas, NH4 NO2
Nitrobakter
sp. NH4 NO2
- NO3
Denitrifikační
mikrorganizmy NO2,
NO3
N2
Heterotrofní:
Pseudomonas, Alcaligenes, Bacillus,
Achromobakter, Hydrogenomonas aj.
Chemolitotrofní:
Thiobacillus, Nitrosomonas aj.
Schéma biologického odstraňování
fosforu
Anaerob.reaktor Anoxic.reaktor Oxický reaktor
Odpadní
voda
Vyčištěná
voda
Přebytečná
biomasa
Heterotrofní bakterie
s možností akumulovat fosfor (PO4
3-)
označované jako poly P bakterie
Acinetobacter junii, Acinetobacter calcoaceticus,
Lampropedia hyalina, Moraxella sp.,
Pseudomonas sp. a řada dalších
Samostatně nebo v kombinaci s biologickým odstraňováním je možné použít rovněž chemické
srážení fosforu dávkováním železnatých, železitých nebo hlinitých solí. Srážecí činidla jsou
nejčastěji aplikována před usazovací nádrž
Tvorba floků v aktivovaném kalu
Floky představují spojení malých částic do velkých partikulí obsahující nejrůznější látky, zbytky
buněk, živé buňky a biopolyméry. Jedním z pozitivních aspektů bakterií tvořící floky je, že snadno
sedimentují a snižují náklady na odvodňování. Negativním aspektem je vysoký podíl "obalových"
polysacharidů. V těchto případech je sedimentace značně obtížná.
Tento flok je mladý a čistý
Tento flok je vytvořený ve starém kalu
a začíná od středu "černat"
Kompostování
* Kompostování je aerobní proces
přeměny organických materiálů
vlivem mikrobiální aktivity na
kompost
* Kompost je organický prostředek
pro zlepšení půdy obsahující
stabilizované organické látky a
rostlinné živiny získaný řízeným
biologickým rozkladem směsi
sestávající zejména z rostlinných
zbytků a mající deklarované
kvalitativní znaky
Kompostování
* Co se děje v kompostu
Pokud je vlhkost a teplota optimální, organická
hmota se začne rychle rozkládat. Na rozkladu se podílí
živé organismy ­ bakterie, aktinomycety, kvasinky,
houby, řasy, roztoči, červi, chvostoci a řada dalších
organizmů. Souběžně s rozkladem se zároveň vytvářejí
nové sloučeniny. Organický odpad se přeměňuje na
komplexní látky trvalého humusu
* Kompostování v
zakládkách (krechtové kompostování)
boxech
vacích
reaktorech
Kompostování
Krechtové kompostování Vnější vrstva (ochlazovaná, silně
provzdušněná, vysýchající)
Chráněná vrstva
(dobře provzdušněná)
Redukční zóna
(zrání téměř
neprobíhá)
40-60oC
30-40oC
10-30oC
Krechtové kompostování znamená kompostování v
podélných hromadách, které jsou pravidelně překopávány
kvůli zvýšení poréznosti hromady a homogenity
kompostovaných materiálů, zabezpečení dobrého
provzdušňování a vhodné vlhkosti.Optimální vlhkost by měla
být 50-60%. Při obsahu vody nad 60% se navozují anaerobní
podmínky
Kompostování
Kompostování v boxech Kompostovací vaky
Uzavřené kompostovací boxy s nuceným
přívodem/odvodem vzduchu, bez koncovky
pro čištění zápachů, umístěny v hale.
Kompostovací vak je vak určený ke kompostování
biologicky lehce rozložitelných odpadů, vybavený
aerací a dalším příslušenstvím nezbytným pro
kontrolu a řízení kompostovacího procesu.
Kompostování
* Bioreaktorové kompostování - kompostování v
uzavřených bioreaktorech/fermentorech, v nichž je
proces kompostování urychlován optimalizací aerace,
vlhkosti a řízením teploty.
* Bioreaktory pro
diskontinuální provoz - tepelně izolované boxy,
kontejnery nebo otáčivé bubny
kontinuální provoz - tunelové nebo věžové
bioreaktory, které jsou na vstupu průběžně
plněny a na výstupu po 10-14 dnech
vychází částečně zfermentovaný produkt.
* Během kompostování v reaktorech by měla teplota
dosáhnou minimálně po dobu jedné hodiny 70 °C.
Biologické loužení kovů z rud
* Biohydrometalurgie ­ využití
mikroorganizmů při získávání kovů
* Biologické loužení se využívá v případech,
kdy obsah kovu v rudě je velice nízký
(v rozmezí asi 0,1-0,5% kovu). Jde
většinou o tzv. nebilanční rudy nebo
hlušinu
* Tímto technologickým postupem se nejprve
získávala měď a uran. Později i další kovy
Získávání mědi
Kyslík v aerované
nádrži
Pumpa
Měď pro průmyslové
využití
Oxidační nádrž:
T. ferrooxidans
oxiduje FeSO4 na
Fe3+ + H2SO4 (kyselý
loužící roztok)
Loužení: Fe3+
v kyselém
loužícím
roztoku
oxiduje
nerozpustný
Cu2S (Cu+) na
rozpustný
CuSO4 (Cu2+)
Roztok
bohatý na
CuSO4
Fe0 (zbytky kovového železa)
CuSO4 precipituje na měď
(Cu0
); Fe3
+ je přeměněno na
FeSO4 (Fe2+
)"Čistý roztok" bez
mědi; železo jako
FeSO4
Rozstřikování
Loužení vložené rudy
s Cu2S
Získávání mědi
Rozstřikování loužícího roztoku po povrchu haldy
Mimo Thiobacillus ferrooxidans je možná aplikace
i některých zástupců rodu Penicilium a Aspergillus
Biologické loužení kovů z rud
Uranové rudy
* Organizmus: Thiobacillus
ferooxidans, zajišťuje aktivní
poměr Fe3+/Fe2+, vysoká tolerance
k UO2
2*
Ekonomicky je výhodná těžba i při
koncentraci 0,15%
* Nutné je intenzivní
provzdušňování (do loužícího
media se přidávají oxidační činidla
(MnO2, NaClO3)
Manganové rudy
* Organizmus chemolitotrofní:
Thiobacillus ferooxidans,
Thiobacillus thiooxidans
chemoorganotrofní:
Pseudomonas manganooxidans,
Bacillus megaterium, Aerobacter
aerogenes, Bacillus circulans
* Hlavním úkolem je převést Mn(IV),
vyskytující se jako minerál
pyroluzit (MnO2) do rozpustné
formy Mn(II)
* Mikroorganizmy produkcí
metabolitů umožní udržet mangan
v roztoku ve formě komplexů nebo
iontů
* Na podobném principu je
založeno i získávání manganu z
mořské vody