Elektyw specjalizacyjny II: Metody wzbogacania żywności w witaminy

Celem wykładu jest zapoznanie studentów z nowoczesnymi metodami mikrobiologicznej produkcji witamin oraz porównanie systemów tradycyjnej syntezy chemicznej z użytecznością procesów realizowanych metodą bioinżynierii. Przez ostatnią dekadę obserwujemy rosnące zainteresowanie alternatywnymi technikami pozyskiwania witamin. Jest to odpowiedź na powstawanie ogromnej masy żywności wysoko przetworzonej, często pozbawionej tych niezbędnych dla funkcjonowania organizmu substancji, jak również próba rozwiązania problemu niedoborów żywności w krajach rozwijających. Zastosowanie metod mikrobiologicznej produkcji witamin gwarantuje redukcję kosztów, zmniejszenie ilości odpadów, wydatkowanej energii jak również wykorzystanie nowych surowców, takich jak rzadziej wykorzystywane w przemyśle cukry czy oleje roślinne. Każdy wykład poświęcony jest prezentacji jednej z metod biotechnologicznej syntezy wybranej witaminy.

Treść kształcenia

Definicja i podział witamin, substancje witaminoopodobne. Perspektywy zastosowania biotechnologii witamin w żywieniu człowieka. Strategie inżynierii genetycznej w celu zwiększania biodostępności witamin oraz wzbogacania produktów żywnościowych w witaminy. Argumenty za wprowadzeniem procesów mikrobiologicznej syntezy wobec tradycyjnych technik syntezy chemicznej. Fitofarming.

Przedstawienie klasyfikacji i budowy karotenoidów. Rola i znaczenie żywieniowe pochodnych likopenu. Tworzenie konstruktów genowych z udziałem Agrobacterium tumefaciens. Wprowadzenie ścieżki biosyntezy β-karotenu do endospermy ryżu metodą inżynierii genetycznej.

Budowa i funkcja witaminy C, aspekty biochemiczne działania kwasu L-askorbinowego. Proces Reinchsteina jako przykład wieloetapowej syntezy chemicznej witaminy na skalę przemysłową. Produkcja mikrobiologiczna L-askorbinianu – mikroglony i drożdże. Inżynieria genetyczna w kierunku wzbogacania tkanek roślinnych w witaminę C. Perspektywy produkcji kwasu L-askorbinowego w ramach jednoetapowej biofermentacji realizowanej przez transgeniczne mikroorganizmy.

Rola witaminy B2 w produkcji żywności i pasz. Aktywacja ryboflawiny jako koenzymu oksydoreduktaz. Mikrobiologiczna produkcja witaminy B2, selekcja szczepów, warunki nadprodukcji na przykładzie Bacillus subtilis, Ashbya gossypi oraz Corynebacterium.

Struktura tokochromanoli i ich funkcja antyoksydacyjna w ochronie składników lipidowych komórek. Produkty żywnościowe z najwyższą zawartością witaminy. Tokoferole jako nutraceutyki. Szlak biosyntezy witaminy E. Kierunki modyfikacji genetycznej ścieżki biosyntezy tokoferoli na przykładzie Arabidopsis thaliana i soi.

Unikalna struktura i funkcja witaminy B12. Aspekty ewolucyjne - archebakterie jako punkt wyjścia do dywersyfikacji struktury i roli związków pirolowych w funkcjonowaniu żywnych organizmów. Koenzymatyczne pochodne cyjanokobalaminy i ich funkcja w syntezie DNA i białek. Mikrobiologiczna produkcja kobalamin – bakterie metanowe, szczepy Steptomyces olivaceus. Zastosowanie inżynierii genetycznej i nieukierunkowanej mutagenezy w celu zwiększenia wydajności produkcji witaminy B12 na przykładzie Propionibacterium shermanii oraz Bacillus subtillis.

Wpływ warunków fermentacji na zawartość witamin z grupy B w nasionach fermentowanych metoda tempe z udziałem kultur Aspergillus oryzae oraz Rhizopus oligosporus. Ekstrakcja witaminy B1 oraz ryboflawiny techniką SPE.

Enzymatyczna generacja mio-inozytolu. Analiza produktów pośrednich oraz finalnego przy zastosowaniu chromatografii jonowej z detekcja elektrochemiczna oraz konduktometryczną z tłumieniem przewodnictwa eluentu.

Ekstrakcja i oznaczanie karotenoidów oraz tokoferoli w produktach przemysłu spożywczego

- zastosowanie wstępnej ekstrakcji rozpuszczalnikami organicznymi do oczyszczania witamin lipofilnych z produktów żywnościowych

- analiza witamin techniką wysokosprawnej chromatografii cieczowej z zastosowaniem detekcji spektrofotometrycznej oraz fluorymetrycznej.

Literatura podstawowa:

1. Duliński R. Biotechnologiczne metody produkcji witamin z wykorzystaniem mikroorganizmów. Żywność. Nauka. Technologia. Jakość. 1(68) 2010.

2. Gawęcki J. „Witaminy” Wydawnictwo Akademii Rolniczej w Poznaniu, Poznań, 2000.

3. Moszczyński P., Pyć R. „Biochemia witamin” Wydawnictwo Naukowe PWN,1999.

4. Ajjawi I., Shintani D., Engineered plants with elevated vitamin E: a nutraceutical success story, Trends in Biotechnology, 22: 104-107, 2004.

5. Piao Y. i wsp., Production of vitamin B12 in genetically engineered Propionibacterium freudenreichi. Journal of Bioscience and Bioengineering, 98: 167-173, 2004.

6. Hancock R.D., Viola R., Biotechnological approaches for L-ascorbic acid production. Trends in Biotechnology, 20:299-305, 2002.

7. Martens J.H. i wsp., Microbial production of vitamin B12. Appl. Microbiol. Biotechnol., 58: 275-285, 2002.

Literatura uzupełniająca:

1. Jakobsen J.. Optimisation of the determination of thiamin, 2-(1-hydroxyethyl)thiamin, and riboflavin in food samples by use of HPLC, Food Chemistry 106,1209–1217, 2008.

2. Hirschbreg J., Production of high value compounds: carotenoids and witamin E. Current Opinion in Biotechnology, 10: 186-191, 1999.

3. Ogawa J., Shimizu S., Microbial enzymes: New industrial applications from traditional screening methods. Trends in Biotechnology, 171:13-21, 1999.

4. Hashimoto S, Ozaki A., Whole microbial cell processes for manufacturing amino acids, vitamins and ribonucleotides. Curr. Opin. Biotechnol., 10:604-608, 1999.

5. Paine J.A. i wsp., Improving the nutritional value of Golden Rice through increased pro-vitamin A content. Nat. Biotechnol., 23: 482-487, 2005.

Wiedza

Posiada wiedzę na temat struktury i podstawowych funkcji witamin w organizmach żywych. Potrafi różnicować wpływ określonych witamin na procesy metaboliczne.

Posiada wiedzę nt. zastosowania witamin w produkcji żywności.

Zna metody mikrobiologicznego wytwarzania witamin i czynniki wpływające na wydajność tej produkcji.

Zna przykłady zastosowań technik inżynierii genetycznej w projektowaniu metabolizmu pod kątem zwiększonej produktywności witamin.

Umiejętności

Analizuje proces ekstrakcji witamin z wykorzystaniem nowoczesnych technik SPE

Posiada umiejętność doboru odpowiednich metod ekstrakcji pod kątem określonej witaminy i materiału źródłowego oraz stopnia jego przetworzenia

Projektuje metody izolacji witamin z żywności i płynów biologicznych przy pomocy dedykowanego oprogramowania.

Kompetencje społeczne

Potrafi pracować w grupie i współdziałać w kierunku opracowania najlepszej techniki analizy

Wykazuje odpowiedzialność za ocenę zagrożeń wynikających ze stosowanych technik badawczych

Jest świadomy zagrożeń środowiskowych wynikających z przemysłowej produkcji witamin opartej na procesach chemicznych

Na ocenę 2

Nie wymienia metod mikrobiologicznej produkcji witamin i wzbogacania żywności w witaminy poprzez techniki inżynierii genetycznej

Nie zna narzędzi do stymulacji produkcji witamin i metod ich analizy

Nie jest świadomy zagrożeń środowiskowych dla wynikających ze stosowania chemicznych metod produkcji witamin na skalę przemysłową

Na ocenę 3

Wymienia wybrane metody mikrobiologicznej produkcji witamin, ale nie analizuje ich pod kątem czynników wpływających na nadprodukcje danej witaminy

Zna kilka narzędzi, ale nie potrafi różnicować ich wpływu na parametry hodowli, ekstrakcji i analizy

Zna zagrożenia środowiskowe wynikających ze stosowania chemicznych metod produkcji witamin na skalę przemysłową, ale nie uwzględnia ich w praktycznym działaniu

Na ocenę 4

Wymienia techniki mikrobiologicznej, biotechnologicznej produkcji witamin, analizuje te procesy pod kątem warunków hodowli, selekcji szczepów, metod genetycznej modyfikacji mikroorganizmów

Stosuje narzędzia do stymulacji produkcji, izolacji witamin i porównuje je pod katem potencjalnego wpływu na wydajność i ekstraktywność, technikę analityczną

Jest świadomy wynikających ze stosowania chemicznych metod produkcji witamin na skalę przemysłową zagrożeń środowiskowych i częściowo uwzględnia w swoich działaniach

Na ocenę 5

Wymienia techniki mikrobiologicznej, biotechnologicznej produkcji witamin, analizuje te procesy pod kątem warunków hodowli, selekcji szczepów, proponuje modyfikacje dotyczące w/w procesów ze szczególnym uwzględnieniem technik manipulacji genowej

Stosuje narzędzia do stymulacji produkcji, izolacji witamin i porównuje je pod kątem potencjalnego wpływu na wydajność i ekstraktywność, technikę analityczną oraz dobiera rozwiązania dla konkretnego typu matrycy: żywność, płyny biologiczne, biofarmaceutyki.

Jest świadomy zagrożeń środowiskowych wynikających ze stosowania chemicznych metod produkcji witamin na skalę przemysłową, przypisuje im znaczącą wagę i uwzględnia w swoich działaniach