Enzymy żywności i ich analityka

Celem kursu jest teoretyczne i praktyczne przygotowanie studentów do rozpoznawania i analizy przy pomocy nowoczesnych metod instrumentalnych aktywnych biokatalizatorów występujących endogennie w żywności oraz enzymów dodawanych w formie preparatów w celu kierowania procesami konwersji w przemyśle spożywczym. Kurs obejmuje również istotne wiadomości o wykorzystaniu enzymów do analizy różnych składników żywności

Tematyka wykładów:

1. Enzymy w nauce o żywności. Enzymy endogenne tkanek roślinnych i zwierzęcych oraz komórek mikroorganizmów, enzymy trawienne, enzymy egzogenne w technologii żywności. Enzymy jako biokatalizatory wysoce specyficzne i efektywne - 2 godz.

2. Czynniki wpływające na efektywność reakcji katalizowanych enzymatycznie. Inaktywacja enzymów - 2 godz.

3. Kinetyczne podstawy i zasady analizy aktywności enzymów. Krzywe progresji. Analiza aktywności początkowej. Wpływ stężenia enzymu i stężenia substratu. Odstępstwa od kinetyki Michaelisa-Menten. Analiza regresji i jej wykorzystanie w oznaczaniu stałych kinetycznych. Sposoby określania aktywności enzymu - 3 godz.

4. Techniki ekstrakcji enzymów. Homogenizacja komórek i tkanek. Ochrona aktywności enzymu podczas ekstrakcji. Analiza aktywności enzymów w niefrakcjonowanych ekstraktach komórek. Techniki in situ i permeabilizacja - 2 godz.

5. Metody fotometryczne. Analiza absorbancji, turbidymetria i fluorescencja. Metody radiometryczne. Metody wymiany jonowej i chromatografii cienkowarstwowej. Uwalnianie lub absorpcja promieniowania. Wybór optymalnych warunków analizy. Specyficzne problemy analiz radiometrycznych - 2 godz.

6. Enzymy unieruchomione i biosensory. Metody immunoenzymatyczne-ELISA - 2 godz.

7. Enzymy żywności – oksydoreduktazy: katalaza, peroksydaza, oksydaza glukozowa, oksydaza polifenolowa, lakkaza, oksydaza ksantanowa, dehydrogenaza alkoholowa - 2 godz.

8. Enzymy żywności – hydrolazy: lipazy, fitaza, amylazy, celulazy, beta-galaktozydaza, enzymy pektynolityczne, ksylanazy, glukanazy - 2 godz.

9. Enzymy żywności – liazy, transferazy, izomerazy: Liaza pektynowa i pektynianowa, glukozylotransferaza cyklodekstrynowa, transglutaminaza, izomeraza glukozowa (ksylozowa) - 2 godz.

10. Endogenne enzymy mleka, mięsa, ziaren zbóż, owoców i warzyw - 3 godz.

11. Enzymatyczna modyfikacja białek w celu optymalizacji własności funkcjonalnych żywności.Enzymatyczna modyfikacja sacharydów - 4 godz.

12. Enzymatyczna modyfikacja lipidów i kwasów nukleinowych - 4 godz.

Tematyka ćwiczeń:

1. Metody oznaczania aktywności enzymów stosowanych w modyfikacji skrobi - 6 godz.

- oznaczanie aktywności α amylay,

- oznaczanie aktywności glukoamylay

2. Zastosowanie enzymów amylolitycznych do produkcji syropów glukozowych, maltozowych i skonwertowanych. Charakterystyka otrzymanych syropów skrobiowych. - 6 godz.

3. Metody oznaczania aktywności enzymów stosowanych w przetwórstwie owocowo-warzywnym - 6 godz.

- oznaczanie aktywności pektynaz,

- oznaczanie aktywności celulaz,

- oznaczanie aktywności hemicelulaz

- oznaczanie aktywności ksylanaz

4. Oksydoreduktazy - 6 godz.

- oznaczanie aktywności lipooksygenazy

- izolacja tyrozynazy i oznaczanie jej aktywności

- wykorzystanie tyrozynazy do produkcji L-3,4-dihydroksyfenyloalaniny (L-DOPA)

- konstrukcja i charakterystyka analityczna elektrody enzymatycznej

- zastosowanie oksydazy glukozowej do monitorowania glukozy

5. Enzymy stosowane w modyfikacji białek i lipidów - 6 godz.

- wykorzystanie enzymów proteolitycznych do otrzymywania hydrolizatów białkowych

- oznaczanie aktywności lipazy

Podstawowa:

Kołakowski E, Bednarski W.,Bielecki S. (red.) Enzymatyczna modyfikacja składników żywności Wyd. AR w Szczecinie 2005.

Witwicki J., Ardelt W. Elementy enzymologii. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1989.

Bisswanger H. Practical Enzymology. Wiley-Blackwell, Weinheim. 2011.

Uzupełniająca:

Eisenthal R., Danson M.J. (red): Enzyme assays a practical approach. Oxford University Press, New York 1992.

Wingard L.B., Katchalski-Katzir E., Goldstein L. (red): Applied bochemistry and bioengineering. Vol 1, Immobilized enzyme principles. Academic Press, Inc. 1976

WIEDZA - absolwent zna i rozumie:

zagadnienia z zakresu rozpoznawania i klasyfikacji różnych typów przemian metabolicznych oraz łączenia ich w ścieżki i cykle metaboliczne. Rozumie rolę i funkcje metabolitów wyjściowych, pośrednich, centralnych i końcowych. Zna zasadnicze drogi łączące metabolizm białek lipidów i węglowodanów

zagadnienia z zakresu istoty aktywności biologicznej substancji naturalnych, elementów struktury chemicznej, które decydują o tej aktywności oraz wykazuje zdolność eksperymentalnego badania różnych aktywności biologicznych. Rozumie zasady chemii oraz termodynamiki dotyczące biokatalizy oraz rolę enzymów oraz innych białek determinujących kierunek przemian biochemicznych w surowcach, półproduktach i wyrobach finalnych w przemyśle spożywczym.

zagadnienia z zakresu doboru metod kierowania aktywnością katalityczną enzymów w celu uzyskania lepszych cech tekstualnych, sensorycznych, odżywczych i przechowalniczych żywności.

zagadnienia z zakresu rozpoznania zależności pomiędzy budową chemiczną enzymów oraz substratów i produktów reakcji katalizowanych enzymatycznie i przydatnością różnych metod analitycznych do jakościowej i ilościowej oceny szybkości reakcji katalizowanych enzymatycznie

przydatność różnych rodzajów, typów i klas enzymów w projektowaniu układów analitycznych służących do analizy komponentów żywności istotnych w modulacji cech tekstualnych, sensorycznych, odżywczych i przechowalniczych żywności.

podstawy kinetyki reakcji enzymatycznych, w tym zastosowanie analizy regresji w wyznaczaniu stałych kinetycznych, odstępstwa od kinetyki Michaelisa - Menten, ogólne mechanizmy katalizy enzymatycznej.

zagadnienia z zakresu technologicznych celów modyfikacji enzymatycznej podstawowych składników żywności (białek, lipidów i sacharydów) w przemyśle spożywczym oraz modyfikacji enzymatycznej kwasów nukleinowych w biotechnologii żywności.

UMIEJĘTNOŚCI - absolwent potrafi:

prawidłowego dobierać procedury doświadczalne, optymalne dla izolacji i oczyszczania określonych enzymów komórkowych i pozakomórkowych.

wykazać umiejętność analizy zastosowania preparatów enzymatycznych do uzyskania określonych cech produktu końcowego.

prawidłowo przeprowadzić oznaczenia aktywności enzymów (dobiera rozcieńczenia, sporządza wzorce do krzywej wzorcowej, posługuje się programem Excel do obliczeń).

otrzymać syrop skrobiowy o określonych właściwościach przy zastosowaniu preparatów enzymów amylolitycznych.

wykorzystać preparaty enzymów proteolitycznych w celu modyfikacji białek serwatki.

przedstawić metodę otrzymywania L-DOPA (L-3,4-dihydroksyfenyloalanina), naturalnego prekursora dopaminy, z wykorzystaniem tyrozynazy izolowanej z pieczarek.

zaprojektować postępowanie analityczne do oznaczania aktywności pektynolitycznych preparatów stosowanych w obróbce żywności.

zaplanować wykorzystanie odczynników, szkła laboratoryjnego i dostępnego sprzętu do wykonania ekstrakcji oraz analiz.

KOMPETENCJE SPOŁECZNE - absolwent jest gotów do:

refleksji na temat zalet i możliwości, jakie daje zastosowanie różnych preparatów enzymatycznych w technologii żywności oraz rozumie ryzyko związane z nieodpowiednim ich użyciem.

uznania znaczenia stałego rozwoju i ulepszania procesów technologicznych poprzez poszukiwanie innowacyjnych rozwiązań z zakresu zastosowania preparatów enzymatycznych.

współdziałania i pracy w grupie, przyjmując w niej różne role

podejmowania decyzji, planowania i organizowania pracy w laboratorium

refleksji na temat potrzeby ukierunkowanego dokształcania się w zakresie współczesnych osiągnięć biotechnologii

Wykład: test jednokrotnego wyboru (55%)

Ćwiczenia: Sprawozdania z wykonanych ćwiczeń oraz zaliczenie pisemne (45%)

Na ocenę 2:

Wiedza:Nie rozpoznaje istotnych zależności, nie wymienia reguł, nie wykazuje znajomości treści lub zasad klasyfikacji zjawisk i procesów zdefiniowanych w odpowiednich efektach kształcenia (tabela wyżej) lub czyni w stopniu niedostatecznym (mniej niż 50% treści)

Umiejętności: Nie zna narzędzi do analizy aktywności enzymatycznej w preparatach o przemysłowym przeznaczeniu, podstawowych zalet i wad ich zastosowania w określonych gałęziach

przemysłu spożywczego. Nie potrafi zastosować preparatów enzymatycznych w celu otrzymania określonych produktów spożywczych. Nie potrafi posługiwać się jednostkami aktywności enzymatycznej ani wykonywać prostych zadań obliczeniowych. Nie planuje wykorzystania odczynników, szkła laboratoryjnego ani sprzętu do wykonania ekstrakcji oraz analiz.

Kompetencje społeczne: Nie jest świadomy znaczenia preparatów enzymatycznych w kształtowaniu składu produktów spożywczych i modyfikowaniu ich cech jakościowych. Nie wykazuje chęci ukierunkowanego dokształcania się. Nie potrafi organizować warsztatu pracy ani pracować w grupie. Nie rozumie zasad obowiązujących w laboratorium biochemicznym

Na ocenę 3:

Wiedza: Wymienia reguły, ale nie analizuje zależności, lub wymienia zależności ale nie analizuje reguł, lub nie wykazuje znajomości zasad klasyfikacji ale wykazuje dostateczną znajomość treści zdefiniowanych w odpowiednich efektach kształcenia

Umiejętności: Zna kilka narzędzi do analizy aktywności enzymatycznej w preparatach o przemysłowym przeznaczeniu. Potrafi wymienić podstawowe zalety i wady ich stosowania w określonych gałęziach

przemysłu spożywczego. Posługuje się jednostkami aktywności preparatów enzymatycznych, ale nie wykonuje samodzielnie oznaczeń ilościowych i nie interpretuje ich wyników. Nie planuje samodzielnie wykorzystania potrzebnych odczynników, szkła laboratoryjnego i sprzętu.

Kompetencje społeczne: Jest świadomy znaczenia preparatów enzymatycznych w kształtowaniu składu produktów spożywczych i modyfikowaniu ich cech jakościowych. Rozumie potrzebę ukierunkowanego samokształcenia. Nie potrafi organizować warsztatu pracy ale umie dostosować się do grupy i wykonać powierzone zadanie. Rozumie zasady obowiązujące w laboratorium biochemicznym.

Na ocenę 4:

Wiedza: Wymienia reguły i analizuje zależności, wykazuje znajomość zasad klasyfikacji zjawisk i dobrą (75 %) znajomość treści zdefiniowanych w odpowiednich efektach kształcenia

Umiejętności: Stosuje narzędzia do analizy aktywności enzymatycznej w preparatach o przemysłowym przeznaczeniu. Potrafi wymienić zalety i wady ich stosowania w określonych gałęziach

przemysłu spożywczego. Potrafi zastosować preparaty enzymatyczne w celu otrzymania określonych produktów spożywczych. Samodzielnie wykonuje oznaczenia ilościowe, planuje wykorzystanie potrzebnych odczynników, szkła laboratoryjnego i sprzętu.

Kompetencje społeczne: Docenia znaczenie preparatów enzymatycznych w kształtowaniu składu produktów spożywczych i modyfikowaniu ich cech jakościowych. Wykazuje chęć ukierunkowanego samokształcenia. Aktywnie działa w grupie, potrafi organizować warsztat pracy i zarządzać czasem.

Na ocenę 5:

Wiedza: Wymienia reguły i analizuje zależności, wykazuje bardzo dobrą znajomość zasad klasyfikacji zjawisk i bardzo dobrą (90 %) znajomość treści zdefiniowanych w odpowiednich efektach kształcenia

Umiejętności: Stosuje narzędzia do analizy aktywności enzymatycznej w preparatach o przemysłowym zastosowaniu Potrafi wymienić zalety i wady ich zastosowania w określonych gałęziach

przemysłu spożywczego i porównuje je. Świadomie dobiera preparaty enzymatyczne odpowiednie dla danych procesów. Bezbłędnie oblicza i ustala dawki enzymów. Samodzielnie wykonuje oznaczenia ilościowe i interpretuje ich wyniki. Planuje wykorzystanie potrzebnych do doświadczeń odczynników, szkła laboratoryjnego i sprzętu.

Kompetencje społeczne: Docenia znaczenie preparatów enzymatycznych w kształtowaniu składu produktów spożywczych i modyfikowaniu ich cech jakościowych. Posiada umiejętność ukierunkowanego samokształcenia. Jest liderem grupy planującym i sprawnie organizującym warsztat pracy.