WYTWARZANIE I ANALIZA PRODUKTÓW MLECZNYCH

Laboratorium - biotechnologia ogólna - dla studentów kierunku biotechnologia wersja 1.1
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 mieszkaoców naszej planety, a także pasz dla zwierząt
hodowlanych, zaczyna stanowid coraz poważniejszy problem. Samo powiększenie areału upraw, czy wydajności rolnictwa nie
wystarczy. Stąd od pewnego czasu przemysł spożywczy zaczyna poszukiwad nowych źródeł pokarmu. Jednym z nich są
drobnoustroje, które odpowiednio prowadzone mogą stad 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 przejśd w biomasę. Pozostała częśd 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 byd 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 wartośd odżywczą
niż chleb pieczony na zakwasie, gdyż drożdże zawierają 50% łatwo przyswajalnego białka, kilka procent tłuszczu, a przede
wszystkim witaminy: B1, B2, B6, B12, PP, witaminę D oraz kwas pantotenowy, które rozkładają się tylko częściowo w procesie
pieczenia.
Dobre drożdże piekarskie powinny charakteryzowad 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. Jakośd
handlowych drożdży piekarskich jest określana przez wiele parametrów, m.in. trwałośd przechowywania, osmotolerancyjnośd,
odpornośd na niskie temperatury. Najważniejsza jest jednak aktywnośd fermentacyjna (siła pędna), czyli ilośd dwutlenku węgla
wytworzonego i zatrzymanego w cieście.
Trwałośd drożdży piekarskich
Drożdże mają niewielką zawartośd suchej masy, w związku z czym podatne na autolizę, są szczególnie w wysokiej
temperaturze. Dlatego też powinny byd 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)
 tłustośd w dotyku
 nieprzyjemny zapach (przypominaj ący klej lub rozkładaj ące się białka)
Trwałośd drożdży prasowanych, czyli handlowych, w temperaturze 20ºC powinna wynosid co najmniej 10 dni, a pożądana jest
trwałośd 14-dniowa. W temperaturze 4°C drożdże można przechowywad do 4 tygodni, po tym czasie dochodzi do zbyt dużego
obniżenia ich siły pędnej. Trwałośd termostatowa w temperaturze 35ºC nie może wynosid więcej niż 96 godzin.
Wraz ze wzrostem zawartości substancji azotowych w komórkach drożdży wzrasta siłą pędna, czyli zdolnośd 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 trwałośd. Wysoki poziom glikogenu wyraźnie zwiększa
trwałośd, a podwyższona zawartośd trehalozy (15-20%) ma stabilizujący wpływ na aktywnośd biologiczna drożdży.
Trwałośd i aktywnośd 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.
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba
Laboratorium - biotechnologia ogólna - dla studentów kierunku biotechnologia wersja 1.1
PRODUKCJA BIOMASY CZ 1.
Na trwałośd i aktywnośd biomasy komórkowej drożdży wpływają też cechy genetyczne rasy użytego szczepu S. cerevisiae,
szczególnie wzajemne stosunki enzymów wewnątrzkomórkowych. Teoretycznie regulacja aktywności fermentacyjnej odbywad
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 charakteryzowad 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 ilośd cukrów prostych mogących uczestniczyd w procesie glikolizy. Powyższe enzymy są kluczowymi
biokatalizatorami, decydującymi o przebiegu procesu glikolizy podczas fermentacji ciasta. Im wyższa aktywnośd wymienionych
enzymów, tym większą siłą pędną będą charakteryzowały się drożdże piekarskie.
Na trwałośd znaczny wpływ ma również czystośd mikrobiologiczna (stopieo 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 aktywnośd i małą przydatnośd do wypieku chleba. Zakażenia bakteryjne (np. z
wody użytej w procesie produkcji) mogą prowadzid do obniżenia jakości gotowego produktu lub naruszyd 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 spełniad także wymagania sensoryczne i fizykochemiczne, narzucone
przez odpowiednie normy.
Drożdże prasowane powinny zawierad nie mniej, niż 26% suchej masy (najczęściej 27% - co oznaczamy symbolem D27). 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 byd 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 zachowad siłę pędną drożdży piekarskich, suszenie po produkcji musi odbywad się w stosunkowo niskich temperaturach, nie
przekraczających 40ºC. Drożdże przeznaczone do suszenia powinny charakteryzowad się wysoką zawartością trehalozy
(dwucukier odpowiedzialny m.in. za trwałośd termiczną drożdży).
Żywotnośd drożdży dobrej jakości powinna wynosid nie mniej niż 95%. Oznacza to, że na każde 100 komórek drożdży tylko 5
może byd 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 byd jak najjaśniejsza, kremowa,
dopuszczalny jest odcieo szary oraz zbrunatnienie krawędzi cegiełek drożdżowych wskutek ich wysychania.
Smak i zapach powinien byd swoisty bez posmaku gorzkiego i obcych zapachów (gł. pleśni). Dobre drożdże są w dotyku lekko
ziarniste.
Konsystencja powinna byd ścisła, dopuszcza się zamarznięcie oraz zewnętrzną mazistośd, 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 aktywnośd drożdży gdyż jest
związane z inaktywacją enzymów komórkowych. Drożdże suszone w stosunku do prasowanych charakteryzują się wieloma
zaletami:
 nieporównywalnie większa trwałośd,
 ułatwiona dystrybucja ze względu na ich mniejszą masę o około 65% i objętośd o 20-50%
 łatwośd pakowania, przechowywania i transportu
Posiadają jednak również wady:
 koniecznośd prowadzenia rehydratacji (uwodnienia) wysuszonych drożdży, które dodaje się do fermentacji ciasta
 obniżona aktywnośd w stosunku do drożdży prasowanych, wynikająca najczęściej z uszkodzenia ich systemu
enzymatycznego w trakcie suszenia
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba
Laboratorium - biotechnologia ogólna - dla studentów kierunku biotechnologia wersja 1.1
PRODUKCJA BIOMASY CZ 1.
 wyższa zawartośd 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.
Drożdże paszowe
Drożdże paszowe powinny: zawierad 48-52% białka, 13-16% cukrowców, 2-3% tłuszczów, 22-40% substancji bezazotowych, 610% składników popiołowych, szybko się rozmnażad, odznaczad się małą wrażliwością na zawartośd substancji toksycznych w
środowisku, maksymalnie wykorzystywad wszystkie składniki pokarmowe znajdujące się w substracie i nie mogą ulegad
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
byd 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
(SO2) 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 zdolnośd 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.
Wykonanie dwiczenia
1. Ocena jakościowa drożdży
1.1. Sprawdzenie masy drożdży piekarskich.
Zawartośd opakowania zważyd z dokładnością do 0,1g i porównad z wagą kostki na opakowaniu deklarowaną przez producenta
1.2. Określenie barwy.
Barwę próbki należy określid wzrokowo przy świetle dziennym
1.3. Określenie smaku.
Smak drożdży piekarskich należy określid biorąc do ust ok. 1g badanej próbki.
1.4. Określenie konsystencji.
Cegiełkę drożdży lekko nagnieśd palcem w środku bocznej powierzchni. Konsystencja powinna byd ścisła; dopuszcza się
zewnętrzną mazistośd, jeżeli nie jest połączona z przykrym zapachem rozkładającego się białka.
1.5. Oznaczanie zawiesiny wodnej.
3
Do probówki szklanej wrzucid grudkę drożdży (około 1 g na 20 cm ) pobraną z wnętrza cegiełki, dodawad porcjami wodę do
około połowy pojemności probówki i każdorazowo wstrząsnąd probówkę zamknąwszy ją korkiem. Obserwowad zawiesinę po
całkowitym wymieszaniu - zawiesina powinna byd jednorodna, w ciągu 5 min nie powinna wykazywad grudek ani kłaczków na
dnie probówki.
1.6. Oznaczanie zawartości suchej masy.
Oznaczenie polega na wysuszeniu próbki drożdży do stałej masy
 oznaczenie zawartości suchej masy za pomocą wagosuszarki
 15 minut przed rozpoczęciem pomiaru włączyd wagosuszarkę – urządzenie musi się nagrzad
 po 15 minutach otworzyd wieko wagosuszarki, umieścid na szalce folię aluminiową (kwadrat ok. 5x5cm) i nacisnąd
dwukrotnie przycisk TARE – tarowanie wagi
 zdjąd folię z szalki, rozprowadzid na niej ok. 2g drożdży (cienka warstwa) i ponownie położyd na szalkę – zanotowad
masę drożdży!
 zamknąd wieko wagosuszarki
0
 nacisnąd przycisk F1 (programowanie temperatury) i klawiszem F2 ustawid temperaturę - 104 C
 nacisnąd klawisz F1 (czas próbkowania) i klawiszem F2 ustawid czas próbkowania – 20
 nacisnąd klawisz F1 – pojawi się komunikat na wyświetlaczu READY – potwierdzid ponownie naciskając F1, rozpoczyna
się pomiar
 wynik podawany jest w % wilgotności próbki
 pomiar prowadzid do momentu uzyskania stałej wartości wilgotności
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba
Laboratorium - biotechnologia ogólna - dla studentów kierunku biotechnologia wersja 1.1
PRODUKCJA BIOMASY CZ 1.


zapisad wynik i wyliczyd suchą masę analizowanej próbki
zakooczyd pomiar naciskając klawisz TARE – otworzyd wieko wagosuszarki, wyciągnąd folię z drożdżami, zamknąd wieko,
wyłączyd urządzenie
2. Oznaczanie aktywności sacharolitycznej i maltatycznej drożdży
 Sacharaza (P-fruktofuranozydaza, inwertaza) zawarta w drożdżach hydrolizuje sacharozę do fruktozy i glukozy. W wyniku
3
dalszych przemian powstaje alkohol i CO2. Wydzielona ilośd cm CO2 przez biomasę drożdży w określonym czasie jest miarą
aktywności sacharolitycznej.
3
0
 W kolbie o pojemności 50 cm sporządzid 20ml 5% roztworu sacharozy (do rozpuszczenia cukru użyd ogrzanej do ok. 35 C
wody destylowanej). Następnie dodad 0,5 g drożdży, w przeliczeniu na suchą masę. Kolbkę zamknąd szczelnie korkiem
zaopatrzonym w rurkę fermentacyjną wypełnioną wodą destylowaną. Naczynie zważyd, masę kolbki zanotowad i wstawid
3
do termostatu (35°C) na 1h. Znając różnicę mas przed i po fermentacji obliczyd ilośd wydzielonego CO 2 [cm +. Aktywnośd
3
sacharolityczną podad jako ilośd cm CO2 wydzielonych przez 0,1 g suchej masy drożdży w ciągu 1 godziny (1 mol CO2= 44,0 g
3
odpowiada objętości 22,4 dm ).
C12H22O11 + H2O  4C2H5OH + 4CO2
 Maltaza (a-glukozydaza) drożdżowa hydrolizuje maltozę na dwie cząsteczki glukozy, które w dalszym etapie ulegają
3
fermentacji na alkohol etylowy i CO2. Wydzielona ilośd cm CO2 przez biomasę drożdży w określonym czasie jest miarą
aktywności maltatycznej.
 Aktywnośd maltatyczną oznacza się w sposób analogiczny jak aktywnośd sacharolityczną z tą różnicą, że zamiast sacharozy
3
używa się maltozy. Aktywnośd maltatyczną podad jako ilośd cm CO2 wydzielonych przez 0,1 g suchej masy drożdży w
3
ciągu 1 godziny (1 mol CO2 = 44,0 g odpowiada objętości 22,4 dm ).
3. Opracowanie wyników
Przedstawid obserwacje, uzyskane wyniki oraz ich interpretację (wnioski), w postaci zbiorczej tabeli opisującej organoleptyczne i
technologiczne cechy drożdży piekarskich prasowanych i/lub suszonych.
L.p.
1
2
4
Cechy
Barwa
Smak
Konsystencja
5
6
Wymagania
Próba I
Kremowa, dopuszczalny odcieo szary
Swoisty bez posmaku gorzkiego i pleśni
Ścisła, dopuszcza się zewnętrzną mazistośd,
jeśli nie jest połączona z przykrym zapachem
rozkładającego się białka
Zawiesina wodna
Jednolita, bez grudek i kłaczków
Zawartośd suchej masy *%+ Nie mniej niż 27 (prasowane)
7
8
Aktywnośd sacharolityczna
Aktywnośd maltatyczna
Próba II
4. Materiały do dwiczeo, które zapewnia student !!!!
 drożdże piekarskie, prasowane, świeże (drożdże w kostce)
5. Zagadnienia teoretyczne:
 charakterystyka drożdży
 trwałośd drożdży piekarskich
 wymagania sensoryczne dla drożdży
 formy handlowe drożdży piekarskich
 drożdże paszowe
6. Literatura:
 Chmiel A., Biotechnologia. Podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne; Wyd. PWN, Warszawa; 1998.
 Kunicki-Goldfinger W.; Życie bakterii; Wyd. PWN; Warszawa; 1998
 Libudzisz Z. Kowal K.; Mikrobiologia techniczna; Wyd. Politechniki Łódzkiej; 2000
 Bednarski W., Reps A.; Biotechnologia żywności; WNT; Warszawa; 2003.
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba