pałeczki - technologie biochemiczne

pałeczki przetrwalnikujące

Bacillus sp. (pałeczki tlenowe, katalazododatnie) i Clostridium sp. (pałeczki beztlenowe i mikroaerofile, katalazoujemne), a ponadto Desulfotomaculum sp., Butyribacterium sp., Sporolactobacillus sp., Sporosarcina sp.

bakterie sporujące charakterystyka

bakterie o cylindrycznym kształcie i przeciętnej długości komórek 1,2–4 µm, Gram-dodatnie lub Gram-zmienne. Niektóre gatunki są urzęsione (peritrichalnie lub biegunowo), co zapewnia im zdolność do ruchu, mezofilne, termofilne

pałeczki sporujące środowisko

w glebie, na szczątkach roślin, w wodzie, jako organizmy saprofityczne uczestniczące w mineralizacji materii organicznej, ale także w środowiskach mało sprzyjających rozwojowi życia, jak bagna, słonorośla czy gorące źródła. Mogą się też rozwijać w psującej się żywności oraz treści pokarmowej przeżuwaczy

typy spor

wytwarzające spory owalne lub cylindryczne o średnicy mniejszej niż szerokość komórki wegetatywnej (typ bacilarny) – B. cereus, B. anthracis, B. subtilis, B. coagulans;

• wytwarzające owalne lub kuliste zarodniki, ułożone biegunowo, o średnicy większej niż szerokość komórki wegetatywnej, powodujące jej deformację (rozdęcie) – typ plektridialny (B. circulans, B. ruris);

• wytwarzające duże, kuliste spory, znacznie szersze niż komórka macierzysta, położone centralnie (typ klostridialny) – charakterystyczny dla bakterii z rodzaju Clostridium.

procesy sporulacji

błona cytoplazmatyczna wpukla się do środka komórki, tworząc – z udziałem mezosomów – przegrodę oddzielającą oba genofory. W fazie drugiej następuje całkowite rozdzielenie prespory i sporangium. W fazie III prespora zostaje otoczona ze wszystkich stron rozrastającą się błoną komórkową. W kolejnych fazach (IV, V) sporangium wytwarza kolejne warstwy otoczki, prespora ulega znacznemu odwodnieniu, nasilają się procesy syntezy kwasu dipikolinowego oraz białek SASP (small acid-soluble spore proteins), odpowiedzialnych za ścisłe wiązanie i ochronę DNA przed czynnikami uszkadzającymi, a podczas kiełkowania endospory służące za źródło pokarmu. Dojrzała endospora otoczona jest grubą warstwą kolejnych osłon (ryc. 10), jak: ściana komórkowa, kora, wewnętrzna osłona spory, zewnętrzna osłona spory, egzosporium. VI fazie sporulacji zachodzą procesy dojrzewania prespory, polegające głównie na zahamowaniu przemian metabolicznych i przejściu w stan anabiozy. Następnie sporangium ulega lizie i dojrzała endospora jest uwalniana do środowiska zewnętrznego.

endospory są

oporne na wysuszenie, wysoką i niską temperaturę, promieniowanie UV oraz wiele innych czynników fizycznych i chemicznych (enzymy proteolityczne, lizozym)

germinacja

jest procesem trójfazowym. Etap pierwszy – aktywacja – jest stymulowana sygnałami typu biochemicznego: obecnością glukozy, alaniny, adenozyny, tyrozyny lub innych prekursorów metabolicznych w środowisku. Stymulatorem może być także bodziec mechaniczny lub fizyczny – głównie wysoka temperatura (tzw. szok cieplny). W drugim etapie następuje zapoczątkowanie kiełkowania: zarodnik traci cechy ciepłooporności dzięki uwalnianiu dipikolinianu wapnia, chłonie wodę (pęcznieje), a procesy metaboliczne ulegają aktywacji. Ostatnim etapem jest wzrost komórki i związane z tym pękanie osłon. Spora ostatecznie przekształca się w komórkę wegetatywną.

cysty powstają

z całej komórki wegetatywnej w warunkach całkowitego wyczerpania składników pokarmowych. W porównaniu z endosporami są znacznie mniej oporne na wysoką temperaturę. Mikrocysty są specyficzną formą przetrwalników, występującą u bakterii śluzowych

produkty fermentacji glukozy

glicerol, kwas mrówkowy, wodór, alkohole, aceton, kwas octowy, kwas mlekowy, kwas bursztynowy i inne

przydatność biotechnologiczna Bacillus

wynika z ich zdolności do produkcji enzymów zewnątrzkomórkowych – głównie proteaz, lipaz, amylaz, i glukanaz

amylazy Bacillus

α-amylaza (B. subtilis, B. licheniformis, B. cereus, B. megaterium, B. circulans, B), β-amylaza, izoamylaza (B. cereus),

inne enyzmy Bacillus

β-galaktozydaza (stosowana do hydrolizy laktozy), α-glukanaza (B. licheniformis, B. amyloliquefaciens), β-glukanaza (B. circulans, B. subtilis). Z grupy enzymów proteolitycznych Bacillus sp. produkują proteazy alkaliczne (B. licheniformis, B. subtilis) oraz proteazy neutralne (B. subtilis

cenne enzymy bacillus

– acylaza penicylinowa i acylaza cefalosporynowa (B. megaterium, B. licheniformis), wykorzystywane w biotechnologii półsyntetycznych penicylin i cefalosporyn;

– izomeraza glukozowa (B. coagulans) służąca do konwersji glukozy we fruktozę (produkcja syropów glukozowo-fruktozowych);

– termolizyna (B. proteolyticus) wykorzystywana w produkcji aspartamu;

– pululanaza (B. cereus, B. acidopullulyticus) – enzym hydrolizujący wiązania 1,6-α w amylopektynie, co umożliwia jej scukrzenie.

bakterie z rodzaju bacillus stanowią źródło

endotoksyn stosowanych jako środki owadobójcze oraz antybiotyków polipeptydowych. Endotoksyny owadobójcze produkowane są w fazie sporulacji i odkładane w komórce poza przetrwalnikiem. Główne zastosowanie w rolnictwie ma endotoksyna wytwarzana przez B. thuringensis. Innymi gatunkami wytwarzającymi takie endotoksyny są B. sphaericus, B. lentimorbus oraz B. popillae . Do antybiotyków polipeptydowych otrzymywanych z hodowli Bacillus należą: gramicydyny (B. brevis) i polimyksyny (B. polymyxa, B. colistinus), zakłócające funkcje błony komórkowej, oraz bacytracyny (B. subtilis, B. licheniformis), zaburzające syntezę ściany komórkowej, a także edeina (zaburza syntezę DNA i translację) i butyrozyna – antybiotyk aminoglikozydowy (B. circulans). Łącznie wszystkie szczepy B. subtilis wytwarzają ponad 65 antybiotyków, a B. brevis ponad 25

Bacillus subtilis

Pospolity i szeroko rozpowszechniony w środowisku (głównie w glebie i wodzie) gatunek rozkładający związki organiczne pochodzenia roślinnego. Ma niskie wymagania pokarmowe i łatwo można go wyizolować z nalewki wodnej na sianie, środowisko tlenowe, jednak anaerobowo może wykorzystywać azotyny i azotany, endospory oporne na temperaturę i ciśnienie,

subtylizyna

alkaliczna proteinaza serynowa, stanowi składnik proszków do prania oraz kosmetyków keratolitycznych. Innymi enzymami o dużym znaczeniu przemysłowym są także fosfataza alkaliczna (katalizuje defosforylację estrów), katalaza (rozkładająca nadtlenek wodoru do O2 i H2 O) oraz β-laktamaza (hydrolizująca wiązanie β-laktamowe w penicylinach i cefalosporynach, co skutkuje inaktywacją tych antybiotyków).

subtilina

lantybiotyki, , czyli termostabilnych policyklicznych peptydów o niskiej masie cząsteczkowej (nieprzekraczającej 5 kDa), zawierających w swojej strukturze nietypowe aminokwasy, np. lantioninę. Subtilina zbudowana jest z 32 aminokwasów, tworzących 5-cykliczną strukturę

sublancyna 168

glikopeptyd zawierający w swojej strukturze mostki disiarczkowe. Wykazuje szerokie spektrum działania biobójczego, głównie wobec bakterii Gram-dodatnich, może również modyfikować przebieg transdukcji komórek przez bakteriofagi.

biosurfaktanty

czyli związki powierzchniowo czynne pochodzenia biologicznego. Analogicznie do swoich odpowiedników syntetycznych, obniżają napięcie powierzchniowe i napięcie na granicy faz, stabilizując emulsje, lecz dodatkowo charakteryzują się nietoksycznością, podatnością na biodegradację oraz wyższą stabilnością przy ekstremalnych wartościach temperatury i odczynu. Ich stosowanie w chemii gospodarczej, kosmetykach, lekach, żywności czy produkcji tkanin jest więc dużo bardziej wygodne i bezpieczne. Przykładami biosurfaktantów wytwarzanych przez wybrane szczepy B. subtilis są ituryna A oraz surfaktyna – cykliczny lipopeptyd (ryc. 13) o aktywności antybiotycznej.

preparaty Bacillus subtilis są stosowane w rolnictwie przez

szara pleśń (Botrytis cinerea), parch (Venturia spp.), zaraza ogniowa (Erwinia amylovora) czy grzyby z rodzaju Fusarium

które enzymy są termostabilne

lipaz, α-amylazy, ksylanazy czy alkalicznej proteazy. Na skalę przemysłową wykorzystywany jest do otrzymywania polimerazy DNA (polimeraza Bst), stosowanej w technikach molekularnej analizy materiału genetycznego. Optimum jej działania to 65°C, powyżej 80°C zostaje zinaktywowana. W obecności jonów Mg2+ katalizuje polimeryzację nukleotydów w kierunku 5’→3’, pozbawiona jest jednak aktywności egzonukleazy 5’→3’. Wykazuje także aktywność odwrotnej transkryptazy. Polimeraza Bst polecana jest do amplifikacji DNA na tzw. trudnych matrycach, bogatych w pary GC, zawierających wielokrotne powtórzenia czy tworzących struktury drugorzędowe. Stosowana jest w reakcji izotermicznego sekwencjonowania DNA czy syntezy DNA wymagającej wymiany nici, tzw. strand displacement.

Bacillus thuringensis

Tlenowa pałeczka po raz pierwszy została wyizolowana z układu pokarmowego larw jedwabnika w 1901 r., lecz spotykana jest także w glebie, wodzie, na powierzchni roślin, w gniazdach ptaków i nietoperzy czy pajęczynach. Jest blisko spokrewniona z B. cereus, do syntezy toksyn krystalicznych (Cry i Cyt) o aktywności owadobójczej. Obie formy toksyny są syntetyzowane w formie nieaktywnej. Dopiero w przewodzie pokarmowym owadów, na skutek działania enzymów proteolitycznych, dochodzi do ich uczynnienia. dochodzi do zakłócenia przepuszczalności błony i lizy komórek, co skutkuje paraliżem ogólnym lub ograniczonym do układu pokarmowego, larwa przestaje żerować i umiera.

synteza toksyn Cyr i Cyt

związana jest z procesem sporulacji. W komórce powstaje wtedy jeden lub kilka kryształów zawierających 1–5 nieaktywnych form toksyn, które łącznie wykazują wyższą toksyczność niż sumaryczne działanie każdej z nich, co wskazuje na efekt synergistyczny.

B. thuringensis wytwarza ponadto inne związki toksyczne dla bezkręgowców,

β-egzotoksyna (turyngienzyna), chitynaza, białka Vip (vegetative insecticidal proteins), proteina P20 czy białka Sip (secreted insecticidal protein), które także przyczyniają się do osiągnięcia wielokrotnie silniejszego działania owadobójczego jego toksyn. β-egzotoksyna działa jako analog ATP i hamuje działanie polimerazy RNA zależnej od DNA

B. thurengensis wykorzystywane jako naturalne bioinsektycydy, ponieważ

Przewyższają one chemiczne środki ochrony roślin selektywnością działania, skutecznością, niskimi kosztami produkcji, brakiem ingerencji w łańcuch pokarmowy i funkcjonowanie ekosystemów oraz nieindukowaniem oporności u owadów

Bacillus infernus

Wyizolowano go po raz pierwszy w latach 90. XX w. z próbki gleby pochodzącej z odwiertu o głębokości 2700 m w stanie Wirginia w USA (niecka Taylorsville). Komórki mają wydłużony kształt o długości 4–8 µm i szerokości 0,8 µm. Optymalna temperatura jego wzrostu to 61°C. Toleruje wysokie zasolenie (0,6 M NaCl) i lekko zasadowe środowisko (najlepszy wzrost przy pH w zakresie 7,3–7,8). Preferowanymi źródłami węgla są kwasy mrówkowy i mlekowy, które utlenia z wykorzystaniem Fe3+, MnO2 , azotanów czy tlenku trimetyloaminy. Niektóre szczepy są również zdolne do fermentacji glukozy, skutkującej produkcją kwasu octowego, mlekowego i masłowego

Bacillus decolorationis

znalezionym do tej pory w dwóch miejscach na świecie – w grobowcu Servilii (rzymska nekropolia w Carmonii, Hiszpania) i średniowiecznej kaplicy św. Katarzyny (zamek Herberstein, Austria). W obu miejscach bakteria tworzyła biofilm, na powierzchni naściennych malowideł, uczestnicząc wraz z innymi gatunkami mikroorganizmów w ich niszczeniu i odbarwianiu – komórki są wydłużone, występują pojedynczo, w parach lub tworząc krótkie łańcuszki, wykazują jednak zmienny wynik w barwieniu metodą Grama. Endospory, wytwarzane w niewielkiej ilości, są owalne lub okrągłe, zlokalizowane w komórce centralnie lub subterminalnie. B. decolorationis rośnie w szerokim zakresie temperatur 5–40°C, preferując optymalną w przedziale 25–37°C. Jest gatunkiem neutro- (pH 6–7,5) i halofilnym (4–7% NaCl).

wnętrze komórek drożdży

obecne są wakuole, które łatwo można zaobserwować w preparatach przyżyciowych po ich wybarwieniu czerwienią fenolową lub obojętną. Drożdże odkładają w swych komórkach liczne substancje zapasowe, jak: lipidy, ziarna glikogenu oraz ziarna wolutyny, które można wykryć stosując odpowiednie barwniki. Komórki drożdży, podobnie jak pozostałych grzybów, są otoczone ścianą komórkową, mającą jednak inną budowę niż u bakterii. Podobnie jak u innych grzybów, zawiera ona głównie mannany i glukany (po 30%), a także inne składniki, w tym chitynę (ok. 1%).

drożdże charakterystyka

Drożdże są organizmami jednokomórkowymi, mogą tworzyć skupiska komórek (pseudomycelium), - nierozdzielenia się komórek po procesie pączkowania. Kształty zależą od gatunku oraz warunków środowiskowych. Najczęściej drożdże przyjmują kształty kuliste, soczewki (kształt „cytrynkowaty”), kształtach butelkowatych lub cylindrycznych, w zakresie kilku mikrometrów. Typ wzrostu drożdży w hodowli płynnej prowadzonej z wytrząsaniem przypomina wzrost typowej hodowli bakteryjnej, a więc charakteryzuje się równomiernym zmętnieniem w całej objętości kolby hodowlanej. Na podłożu zestalonym kolonie drożdży – zależnie od gatunku – mogą przyjmować różnorodną postać. Najczęściej wyróżnia się kolonie typu gładkiego S (smooth), pomarszczone R (rough) lub śluzowate M (mucous).

sposób odżywiania się drożdży

Drożdże, jak wszystkie grzyby, są organizmami heterotroficznymi. Zazwyczaj prowadzą saprofityczny tryb życia, rzadziej są pasożytami. Do drożdży chorobotwórczych zalicza się niektóre gatunki z rodzaju Candida (najczęściej C. albicans), jednak większość drożdżaków występujących na skórze lub błonach śluzowych człowieka i innych kręgowców wchodzi w skład prawidłowej mikroflory.

asymilowanie drożdży

dużą zdolnością tlenowego i beztlenowego wykorzystywania różnorodnych źródeł łatwo przyswajalnego węgla. cukrów: glukoza, fruktoza i mannoza są dla drożdży podstawowymi monosacharydami. Drożdże nie są zdolne do asymilacji galaktozy. Dwucukrami łatwo asymilowanymi przez drożdże są sacharoza oraz laktoza. Trisacharydem - rafinoza. Innymi cukrami przyswajalnymi przez drożdże są: arabinoza, sorboza, ksyloza, celobioza, skrobia i pektyny. Drożdże mogą też wykorzystywać alkohole (etanol, metanol, glicerol) i niektóre kwasy organiczne.

asymilacja azotu przez drożdże

zazwyczaj w postaci aminokwasów wchodzących w skład peptonów, wyciągu drożdżowego czy też brzeczki. Tylko nieliczne gatunki drożdży przyswajają azot nieorganiczny, obecny w podłożu wzrostowym w postaci jonów azotanowych.

podłoża do hodowli drożdży

Tylko nieliczne gatunki drożdży przyswajają azot nieorganiczny, obecny w podłożu wzrostowym w postaci jonów azotanowych. Składniki mineralne niezbędne w podłożach hodowlanych to przede wszystkim fosforany (najczęściej dodawany jest wodoro- lub diwodorofosforan potasu). Większość gatunków drożdży to mezofile, a optymalna temperatura ich wzrostu mieści się w zakresie 25–28°C.

genom drożdży piekarskich

ma wielkość 12 Mpz podzielonych na 16 liniowych chromosomów o typowej dla eukariontów budowie. opisano 6000 genów. geny drożdży nie zawierają intronów, posiadają także plazmidy, mają charakter kolistego DNA, jednak w odróżnieniu od bakterii, DNA plazmidowy drożdży jest związany z białkami histonowymi – tak jak DNA genomowy

rozmnażanie drożdży

drożdże charakteryzują się szybkim wzrostem. Czas między dwoma podziałami komórkowymi wynosi około 40 min (zależnie od temperatury) i jest dłuższy niż w przypadku bakterii E. coli (20 min). Rozmnażanie drożdży przebiega na drodze prostego podziału mitotycznego (tzw. rozszczepiania – charakterystyczne dla niektórych gatunków, np. Schizosaccharomyces pombe). Najczęstszą formą rozmnażania drożdży jest pączkowanie (np. Saccharomyces cerevisiae, Candida sp., Hansenula sp., Pichia sp., Rhodotorula sp.), co można łatwo zaobserwować w preparatach mikroskopowych. Po oddzieleniu się potomnej komórki, na powierzchni komórki pączkującej widoczne są „blizny”. Liczba blizn widocznych na powierzchni komórki świadczy o ilości oddzielonych pączków. Ciekawy, z punktu widzenia biotechnologii, jest cykl życiowy drożdży piekarskich. W odróżnieniu od większości niższych eukariontów, a także wszystkich bakterii, drożdże są organizmami diploidalnymi

sporulacja drożdży

(tzw. askospory – drożdże z rodzaju Saccharomyces zaliczane są do gromady workowców). W warunkach laboratoryjnych sporulację można indukować poprzez hodowlę drożdży na podłożach pozbawionych cukrów, gdzie jedynym źródłem węgla jest octan sodu lub potasu. Ciekawym zjawiskiem jest to, że spory powstają po procesie redukcyjnego podziału jądra komórkowego, czyli mejozie. Podział mejotyczny powoduje, iż powstające spory są haploidalne. Jest to jedyna forma haploidalna w cyklu życiowym drożdży. W korzystnych warunkach spory kiełkują i łączą się tworząc komórki diploidalne i dalej rozwijają się już w typowy dla drożdży sposób, z prostym typem rozmnażania bezpłciowego (podział lub pączkowanie). Askospory drożdży nie łączą się ze sobą w dowolny sposób. W wyniku sporulacji powstają dwa typy haploidalnych spor: a oraz α. Tylko spory przeciwnego typu („płci”) mogą się ze sobą połączyć. Rozpoznawanie typu spory bazuje na wydzielanych przez nie feromonach – inny typ feromonów jest wydzielany przez spory typu α, a inny przez spory typu a. Feromony są wiązane przez odpowiednie receptory obecne na powierzchni spor – spory a wytwarzają receptory dla feromonów α i vice versa.

drożdże piwne

(S. pasteurianus)

gatunki drożdży stosowane do otrzymywania białek rekombinowanych

S. cerevisiae, jednak liczne cechy gatunków Schizosaccharomyces pombe (drożdże rozszczepkowe) i Pichia pastoris Wachlarz białek rekombinowanych uzyskiwanych z drożdży jest bardzo szeroki: od rekombinowanych antygenów wykorzystywanych w produkcji szczepionek (np. antygeny wirusa HBV), poprzez rekombinowane cytokiny, hormony, enzymy, aż po przeciwciała monoklonalne. Szybki wzrost drożdży jest cechą wykorzystywaną także w technologii produkcji SCP (single cell protein). W produkcji biomasy drożdży do celów paszowych, w tym także preparatów białkowych typu SCP, używa się zazwyczaj następujących gatunków: S. cerevisiae, Candida utilis, C. tropicalis, Kluyveromyces marxianus, K. lactis oraz Debaryomyces sp.

drożdże w otrzymywaniu witamin

Witamina B2 jest produkowana w dużych ilościach z wykorzystaniem nietypowych szczepów drożdży Eremothecium gossypii (syn. Ashbya gossypii), których charakterystyczną cechą jest wzrost w postaci strzępek. W naturze są one pasożytami roślin wyizolowanymi z bawełny. Drożdże z rodzaju Saccharomyces są natomiast wykorzystywane w jednej z najstarszych biotechnologii przemysłowych – produkcji testosteronu (1937 r.), gdzie przeprowadzają biotransformację androstendionu do końcowego produktu, testosteronu

fermentacja sensu stricto

rozumiana jako proces biochemicznego oddychania beztlenowego (w zasadzie sprowadza się do określenia sformułowanego po raz pierwszy już przez Pasteura: „fermentacja to życie bez tlenu”),

fermentacja sensu lato

oznaczająca dowolny bioproces, zazwyczaj prowadzony w bioreaktorach (fermentorach). Drugie z wymienionych znaczeń wynika z historycznych tradycji biotechnologii, zanim naukowo rozróżniono i scharakteryzowano procesy oddychania tlenowego i beztlenowego.

fermentacja w znaczeniu biochemicznym

służy wytworzeniu puli ATP w komórce dzięki rozkładowi związków organicznych, bez wykorzystywania tlenu jako akceptora elektronów i wodoru. W fermentacjach produkty rozkładu są więc równocześnie donorami oraz akceptorami wodoru, dzięki czemu zachodzi restytucja – „odtworzenie” NAD+ , co jest podstawową zaletą fermentacji.

alternatywne szlaki katabolizmu glukozy

szlak Entnera-Doudoroffa (Pseudomonas, bakterie octowe), szlak heksozomonofosforanowy, cykl pentozofosforanowy, glikoliza, szlak Embdena-Meyerhofa-Parnasa

główne typy fermentacji

– alkoholowe (produktami są etanol, butanol, izopropanol, butanodiol, a także aceton), – mlekową (kwas mlekowy i inne produkty),

– propionową (kwas propionowy),

– masłową (kwas masłowy),

– mrówkową (kwas mrówkowy).

efekt Pasteura

charakterystyczny dla większości anaerobó fakultatywnych (hamowanie zarówno aktywności enzymów glikolitycznych, jak i transportu aktywnego glukozy do komórek)

efekt Crabtree

zjawisko występujące w warunkach tlenowych, polegające na silnym hamowaniu oddychania tlenowego drożdży pod wpływem wysokiego stężenia glukozy w środowisku (powyżej 1–2 g/L). W warunkach takich następuje hamowanie enzymów cyklu Krebsa i łańcucha oddechowego, a metabolizm drożdży jest nastawiony na szybkie, lecz mało wydajne beztlenowe zużywanie glukozy (szybka regeneracja NAD+ ).

fermentacja mlekowa

następuje zakwaszenie ciasta przy udziale bakterii z rodzaju Lactobacillus sp. (najczęściej gatunki: L. plantarum, L. brevis oraz L. casei).

fermentacja alkoholowa, etanolowa

natomiast do powstawania dwutlenku węgla, co nadaje ciastu porowatą strukturę. Fermentacja ta jest głównym procesem wykorzystywanym w produkcji pieczywa z mąki pszennej. W przypadku mąki z innych rodzajów zbóż (głównie żyta) przed dodaniem drożdży przeprowadzane jest ukwaszanie ciasta, będące wynikiem fermentacji mlekowej wywołanej najczęściej przez naturalną mikroflorę mąki (fermentacja samoczynna). Podobny proces ma miejsce w przypadku przygotowania zakwasu na żurek.

proces słodowania

uaktywnienie enzymów amylolitycznych w ziarnach, w wyniku czego następuje rozkład skrobi do maltozy, glukozy oraz maltodekstryn (drożdże nie wytwarzają amylaz). Ponadto uaktywniają się enzymy proteolityczne, dzięki czemu z białek uwolniona zostaje dość duża ilość wolnych aminokwasów będących stymulatorami wzrostu drożdży. Proces suszenia ma znaczący wpływ na parametry organoleptyczne słodu. W zależności od temperatury i czasu suszenia i/lub prażenia otrzymać można słody jęczmienne jasne (tzw. pilzneńskie) lub ciemne (tzw. monachijskie), a także karmelowe i inne.

brzeczka

bezpośredni substrat fermentacji piwnej, brzeczka stanowiąca bezpośrednią pożywkę dla drożdży piwnych. Proces zacierania prowadzony jest do momentu całkowitego zaniku skrobi w brzeczce (negatywny wynik próby jodowej). Zacieranie prowadzone jest zwykle przez kilka godzin, najczęściej przy wzrastającej temperaturze (do około 75°C). Istotny wpływ na przebieg zacierania ma też odczyn – powinien być kwaśny (pH = 5,0–5,5). Typowy skład brzeczki 12°Blg: maltoza 44%, dekstryny 31%, maltotrioza 11%, glukoza 9%, sacharoza 3%, fruktoza 2% oraz wolne aminokwasy (170–190 mg/100 cm3 ). Przecedzona brzeczka jest następnie gotowana (ok. 2 godz.) w celu jej sterylizacji, zagęszczenia i inaktywacji enzymów

drożdże fermentacji górnej

(S. cerevisiae ssp. cerevisiae), fermentację piwną właściwą (główną) prowadzi się w temp. 15–25°C (fermentacja górna) Wyjątkiem są piwa dominujące w Wielkiej Brytanii – piwa typu ale, a także porter, otrzymywane z wykorzystaniem drożdży fermentacji górnej. Drożdże fermentacji górnej są jednak używane przede wszystkim w produkcji pieczywa oraz w winiarstwie

drożdże fermentacji dolnej

(S. cerevisiae ssp. uvarum var. Carlsbergensis; obecnie obowiązującą nazwą gatunkową jest: S. pasteurianus) poniżej 10°C (fermentacja dolna). Drożdże fermentacji dolnej (tzw. drożdże denne) to wyselekcjonowane szczepy drożdży o naturalnie niskich zdolnościach do oddychania tlenowego i wzrostu, za to posiadające wysoki potencjał fermentacyjny – stąd występują głównie przy dnie kadzi fermentacyjnych. Ten typ drożdży obecnie dominuje w przemyśle browarniczym: większość otrzymywanych piw jest zaliczana do tzw. typu pilsner, czyli piw „kontynentalnych” (także piwa typu lager, bock czyli polski koźlak, porter bałtycki i in.)

drożdże dzikie

występujących naturalnie w tych samych środowiskach co szczepy wykorzystywane najczęściej w winiarstwie i piwowarstwie, zalicza się głównie drożdże z rodzajów: Brettanomyces, Candida, Cryptococcus, Dekkera, Kluyveromyces, Pichia, Rhodotorula, Torulospora oraz Zygosaccharomyces. Większość z nich uważa się obecnie za przyczynę psucia się piwa lub wina w warunkach nieodpowiedniego zabezpieczenia. Drożdże z rodzaju Brettanomyces są jednak naturalnym składnikiem przyczyniającym się do powstawania belgijskiego piwa typu lambic (fermentacja spontaniczna).

fermentacja winiarska

Fermentację winiarską rozpoczyna się w temp. 15–20°C, gdyż w trakcie fermentacji temperatura wina wzrasta. Najczęściej fermentacja winiarska przebiega w 3 fazach: zafermentowanie, fermentacja główna (burzliwa) oraz dofermentowanie

tolerancja drożdży na etanol

W gorzelnictwie wykorzystywane są szczepy drożdży o najwyższej tolerancji na etanol, sięgającej nawet 20%, a standardowo co najmniej 10–14% (drożdże browarnicze do 6%, winiarskie do 15%). Większość szczepów gorzelnianych należy do gatunku S. cerevisiae. Pierwotnym produktem gorzelniczym jest spirytus surowy (nieoczyszczony), tzw. okowita. Surowce gorzelnicze mogą zawierać skrobię lub cukry proste.

surowce skrobiowe

ziarna zbóż (zależnie od regionu: żyto, pszenica, jęczmień, kukurydza, ryż), zawierające 70–80% skrobi, oraz ziemniaki (15–25% skrobi) i słonecznik bulwiasty. Surowce skrobiowe nie mogą być bezpośrednio wykorzystane do fermentacji (podobnie jak w przypadku produkcji piwa), lecz w pierwszym etapie produkcji podlegają mieleniu i zacieraniu (enzymatyczna hydroliza skrobi). Przetworzenie skrobi w cukry proste może być przeprowadzone za pomocą kwaśnej hydrolizy lub hydrolizy enzymatycznej (proces enzymatyczny jest stosowany znacznie częściej). Enzymatyczna hydroliza skrobi opiera się na zastosowaniu enzymów hydrolizujących wiązania glikozydowe w skrobi (amylaz), powodując jej przekształcenie do maltozy i glukozy. Efekt enzymatycznej hydrolizy skrobi zależy od składu enzymatycznego stosowanego preparatu, temperatury i czasu prowadzenia procesu

surowce mono i disacharydów

melasa (odpad przemysłu cukrowniczego), serwatka (odpad z mleczarstwa), sok z trzciny cukrowej, sok z buraków cukrowych oraz ług posiarczynowy (produkt odpadowy przemysłu drzewnego). Surowce należące do tej grupy nadają się do bezpośredniego wykorzystania w fermentacji etanolowej.

właściwa fermentacja etanolowa

trwa 2–3 doby i jest prowadzona w temperaturze ok. 30°C i środowisku o pH = 4,0–4,5. Otrzymany produkt pierwotny musi być poddany prostej destylacji lub rektyfikacji. Destylacja jest procesem down-stream, polegającym na oddzieleniu etanolu od pozostałych składników zacieru pofermentacyjnego

retyfikacja

(destylacja frakcyjna) z fizycznego punktu widzenia jest procesem destylacji kaskadowej (wielopoziomowej), w którym każdy etap jest zasilany produktem (destylatem) poprzedniego. Jednak z technologicznego punktu widzenia rektyfikacja jest procesem, w którym mieszanina ciekła jest rozdzielana na frakcje o różnej (zwykle zbliżonej) lotności. W warunkach przemysłowych prowadzona jest w specjalnych kolumnach rektyfikacyjnych. Rektyfikacja jest o wiele wydajniejsza niż destylacja prosta. W wyniku oczyszczania zacieru pofermentacyjnego można uzyskać etanol o maksymalnym stężeniu 97,2% objętościowych (czyli 95,6% wagowych). Spirytus surowy (ok. 88% obj. alkoholu) zawiera do 0,5% fuzli. Fuzle są naturalnymi produktami każdej fermentacji prowadzonej przez drożdże; pochodzą głównie z przemian aminokwasów (leucyny, izoleucyny, waliny). Stanowią mieszaninę alkoholi (propanol, butanol, pentanol), estrów, kwasów tłuszczowych (mrówkowy, octowy, masłowy), furfurolu oraz terpenów. Mają nieprzyjemny smak i duszący zapach. Normy dopuszczają zawartość jedynie 1–2 mg fuzli w jednym litrze rektyfikatu (o mocy 95–96% obj.), przeznaczonego do celów farmaceutycznych lub spożywczych. Dalsze odwodnienie mieszaniny alkoholowo-wodnej na skalę przemysłową prowadzi się metodą destylacji azeotropowej przy użyciu benzenu i benzyny (etanol 99%)

wódki czyste

produkuje się przez odpowiednie rozcieńczenie spirytusu rektyfikowanego wodą

wódki gatunkowe

sporządza się natomiast z różnych typów spirytusów, dodając też składniki smakowo-zapachowe i – ewentualnie – barwniki. W wódkach gatunkowych zazwyczaj wykorzystuje się spirytus rektyfikowany, pochodzący w całości lub częściowo z fermentacji moszczu owocowego (spirytusy winne) lub – rzadziej – brzeczki zbożowej. Najczęściej produkowane wódki tego typu to: śliwowice, wiśniówki, calvados (z cydrów jabłkowych), koniaki i brandy (z moszczu winogron) oraz whisky (ze słodów zbożowych: jęczmienia, żyta, pszenicy, kukurydzy). Alkohole takie są także wykorzystywane jako dodatek do innych napojów etanolowych, np. sherry (hiszp. jerez), czyli wina wzmacnianego przez dodatek brandy

równanie fermentacji etanolowej

C6H12O6 → 2CO2 + 2C2H5OH

szlak fruktozobisfosforanowy w fermentacji drożdży

Konwersja pirogronianu w alkohol etylowy zachodzi dwuetapowo. Na pierwszym etapie pirogronian ulega dekarboksylacji do aldehydu octowego przy udziale enzymu – dekarboksylazy pirogronianowej i pirofosforanu tiaminy (witamina B1). Na drugim etapie aldehyd octowy ulega redukcji do alkoholu etylowego (etanolu). Poniższy schemat przedstawia omawiane cykle przemian. W reakcji redukcji aldehydu octowego do etanolu rolę donora elektronów pełni NADH2

słód zawiera

naturalne enzymy amylolityczne z kiełkujących nasion jęczmienia, który przygotowuje się przez namaczanie i skiełkowanie nasion jęczmienia. Następnie powstający słód suszy się, rozciera i ponownie zawiesza w wodzie. Zawarta w nasionach skrobia jest hydrolizowana do maltozy, a powstała w ten sposób brzeczka zostaje po kilku dalszych etapach (dodatek chmielu, podgrzewanie, schłodzenie), poddana procesowi fermentacji, która zachodzi w kadziach (tankach) fermentacyjnych.

do wyrobu etanolu przemysłowego stosuje się

ziarna zbóż (żyto, pszenica, jęczmień) oraz ziemniaki. Inną grupę stanowią surowce cukrowe, zawierające dużą ilość sacharozy, takie jak buraki cukrowe, trzcina cukrowa, różne owoce oraz melasa (produkt uboczny przemysłu cukrowniczego, zawierający dużą ilość sacharozy). Trzecim źródłem surowców dla przemysłu spirytusowego są odpady przemysłowe zawierające cukry proste lub złożone, np. odpady przemysłu młynarskiego, z przemysłu owocowo-warzywnego, odpady z produkcji krochmalu, odpady zawierające celulozę, np. drzewne, ługi siarczynowe (z przemysłu papierniczego). W przypadku surowców celulozowych przed właściwą fermentacją należy przeprowadzić hydrolizę polimerów celulozowych na drodze chemicznej z zastosowaniem kwasów,kukurydza, sorgo, tapioka, ryż

drożdże gorzelnicze powinny spełniać

szybkie tempo prowadzonej fermentacji (zwłaszcza w gorzelniach przemysłowych),

• odporność na wysokie stężenia etanolu (do 14%),

• odporność na wysoką gęstość brzeczki melasowej (gorzelnie przemysłowe), • odporność na działanie kwasów organicznych,

• zdolność do fermentowania wielu cukrów: glukozy, fruktozy, maltozy, sacharozy, niektóre również częściowo mannozy, laktozy, rafinozy.

skład wywaru drożdżowego przy produkcji etanolu

Zawiera on do 30% nieprzefermentowanej suchej masy oraz liczne związki, jak glicerynę, kwasy organiczne, wyższe alkohole (tzw. fuzle), aldehydy i estry. Wywar może być wykorzystany np. jako wartościowa pasza dla bydła lub jako nawóz

inne drobnoustroje prowadzące fermentację alkoholową

Bakteria Zymomonas mobilis, wyizolowana z fermentującego soku agawy meksykańskiej, syntetyzuje etanol za pomocą innego szlaku metabolicznego – 2-keto-3-deoksy-6- -fosfoglukonianowego przy udziale dekarboksylazy pirogronianowej. W tym szlaku pirogronian jest rozkładany do aldehydu octowego i CO2, a aldehyd octowy polega z kolei redukcji do etanolu. Produktami fermentacji są etanol, dwutlenek węgla i nieco kwasu mlekowego

fermentacja octowa

w wyniku tzw. fermentacji oksydatywnej (in. utleniania częściowego), co oznacza, że przebiega w obecności tlenu. Oprócz kwasu octowego, do produktów końcowych fermentacji oksydatywnych należą kwasy: glukonowy, fumarowy, cytrynowy, glutaminowy, mlekowy a także keto- i oksykwasy. Mikrobiologiczna synteza produktów powstających dzięki drobnoustrojom tlenowym zajmuje istotne miejsce we współczesnej biotechnologii. Dodatkowo, na potrzeby przemysłu wprowadzane są drobnoustroje modyfikowane genetycznie, zdolne do syntezy nowych metabolitów, produktów wtórnych oraz białek obcych gatunkowo (takich jak insulina, liczne enzymy)

bakterie syntetyzujące kwas octowy

gramujemne Acetobacter (słabo ruchliwe, wkołorzęse) lub Gluconobacter (biegunowo urzęsione). Charakteryzują się one dużą tolerancją na kwasowość, niską ruchliwością, brakiem pigmentów oraz niską aktywnością peptolityczną. Naturalnie występują w roślinach, a także wraz z drożdżami wszędzie tam, gdzie obecne są wydzieliny lub soki zawierające cukier. Gluconobacter oxydans jest przedstawicielem grupy suboxidans, natomiast Acetobacter aceti oraz A. pasteurianum należą do peroxidans. Obie grupy drobnoustrojów różnią się zdolnością (peroxidans) bądź jej brakiem (suboxidans) do dalszego metabolizowania kwasu octowego

równanie fermentacji do kwasu octowego

CH2 – CH2 – OH + O2 → CH3 – COOH + H2O