Elektyw kierunkowy III: Wybrane zagadnienia z enzymologii w przetwórstwie surowców pochodzenia roślinnego i zwierzęcego

Celem kursu jest przedstawienie studentom węzłowych problemów związanym z wykorzystaniem enzymów w przetwórstwie surowców pochodzenia roślinnego i zwierzęcego. Celem kursu jest również przygotowanie słuchacza do dokonania właściwej selekcji odpowiedniego biokatalizatora dla prowadzenia konwersji różnych komponentów żywności. Podane przykłady zastosowań biokatalizy w przemyśle spożywczym ułatwić mają projektowanie, realizowanie i sterowanie akcją katalityczną endogennych enzymów żywności oraz egzogennymi enzymami pochodzenia mikrobiologicznego, roślinnego lub zwierzęcego. Przedstawione nowe tendencje w technikach i technologiach biokatalizy w przemyśle spożywczym ułatwią słuchaczowi zrozumienie węzłowych problemów enzymologii w nowoczesnym przemyśle spożywczym.

Treść kształcenia

Wprowadzenie do enzymologii żywności . Przegląd technologii przemysłu spożywczego wykorzystujących konwersję enzymatyczną. Historia, stan obecny i perspektywy nowych zastosowań biokatalizy

Enzymatyczna konwersja skrobi (I) – gorzelnictwo. Chemia skrobi i podstawowe etapy jej konwersji enzymatycznej. Mokre i suche mielenie ziarna. Konwersja skrobi w gorzelnictwie: niemiecki i amerykański system zacierania. Aspekty ekonomiczne i technologiczne produkcji napojów alkoholowych i bioetanolu

Wywar gorzelniczy a wydajność fermentacji w gorzelnictwie. Proteaza grzybowa w przemyśle gorzelniczym. Analiza ekonomiczna skutków proteolizy surowców gorzelniczych w zależności od skali produkcji.

Enzymatyczna konwersja skrobi (II) – przemysł syropów skrobiowych. Technologia wytwarzania syropu glukozowego, maltozowego, syropu wysokiej konwersji oraz izoglukozy. Preparaty enzymatyczne dla przemysłu syropów skrobiowych. Lizolecytynaza grzybowa a szybkość filtracji syropu glukozowego ze skrobi pszennej. Unieruchomiona izomeraza glukozowa I, II i III generacji

Preparaty enzymatyczne w przemyśle owocowo-warzywnym. Roślinna ściana komórkowa i jej enzymatyczny rozkład. Enzymatyczna maceracja i klarowanie soku. Przetwórstwo owoców cytrusowych. Enzymy a produkcja koncentratu soku jabłkowego. Enzymatyczna ekstrakcja pektyny z wytłoków jabłkowych.

Enzymatyczne modyfikowanie aromatów wina. Technologie otrzymywania win białych i czerwonych, fermentacja „na skórce”, termowinifikacja. Enzymy w technologii winiarskiej: zakres stosowania. Chemizm związków zapachowych i enzymatyczne metody modyfikacji aromatu.

Enzymy w przemyśle paszowym. Fitaza, beta-glukanaza i ksylanaza jako dodatki do pasz dla zwierząt monogastrycznych. Przewód pokarmowy jako bioreaktor. Wymagania dla enzymów jako dodatków paszowych w technologii pasz sypkich oraz granulowanych. Perspektywy nowych zastosowań enzymologii w przemyśle paszowym. Modyfikacje składu chemicznego tusz drobiowych i jaja kurzego poprzez dodatek zastosowanie handlowych preparatów enzymatycznych jako dodatków paszowych.

Enzymy w przemyśle mięsnym i mleczarskim. Proteoliza, lipoliza i ich skutki dla właściwości wyrobu finalnego. Enzymatyczne przyspieszanie i kierowanie procesami dojrzewania w przemyśle mięsnym i mleczarskim. Transglutaminaza i obszary jej zastosowań.

Zastosowanie unieruchomionych biokatalizatorów w przemyśle. Metody unieruchamiania i generacje biokatalizatorów. Obszary zastosowań.

Podstawy kinetyki reakcji z udziałem unieruchomionych biokatalizatorów. Bariery kinetyczne i dyfuzyjne reakcji z udziałem unieruchomionego biokatalizatora. Wyznaczanie parametrów kinetycznych unieruchomionego biokatalizatora. Stała Damkőlera. Biokatalizatory unieruchomione w bioreaktorach STR i PBR. Obliczenia inżynieryjne bioreaktorów.

Wyznaczenie energii aktywacji reakcji enzymatycznej i nieenzymztycznej. Wpływ temperatury na przebieg obu typów reakcji.

Zastosowanie enzymów w przetwórstwie surowców spożywczych: zastosowanie enzymów amylolitycznych w procesie enzymatycznej modyfikacji skrobi. Wyznaczanie aktywności preparatów amylolitycznych, ustalanie ich dawek i warunków optymalnych do przeprowadzenia konkretnego procesu upłynniania i scukrzania skrobi.

Zastosowanie enzymów w przetwórstwie surowców spożywczych: charakterystyka syropów skrobiowych: oznaczanie DE, DX oraz średniej długości łańcucha maltooligosacharydów (DP 20-50). Wskazanie możliwych zastosowań dla otrzymanych syropów.

Literatura podstawowa:

1. Whitaker, J.R., Voragen, A.G.J., Wong, D.W.S. 2003. Handbook of Food Enzymology. Marcel Dekker, Inc., New York, Basel

2. Uhlig, H. 1998. Industrial Enzymes and their Applications. John Wiley & Sons, Inc., New York

3. Godfrey, T., West, S. 1996. Industrial Enzymology. Macmillan Press Ltd. London

4. Whitaker, J.R., Law, B.R., 2002. Enzymes in Food Technology. CRC Press, Boca Raton.

Literatura uzupełniająca:

1. Kołakowski, E., Bednarski, W., Bielecki, S. 2005. Enzymatyczna modyfikacja składników żywności, Wydawnictwo AR Szczecin

2. King R.D., Cheetham P.S.J. 1987. Food Biotechnology. Elsevier Applied Science.

Wiedza

Definiuje i objaśnia różnice pomiędzy katalizatorem mineralnym i biokatalizatorem. Potrafi scharakteryzować istotę katalizy i wskazać na sposoby kontrolowania reakcji katalizowanej enzymatycznie.

Potrafi opisać operacje i procesy technologiczne realizowane w przemyśle gorzelniczym, syropów skrobiowych, owocowo-warzywnym, winiarskim, paszowym, mleczarskim, mięsnym i jajczarskim. Rozpoznaje maszyny i urządzenia montowane w liniach technologicznych. Zna zasadnicze parametry procesowe obróbki surowców, półproduktów i otrzymywania wyrobów finalnych.

Rozróżnia typy i generacje biokatalizatorów oraz biokatalizatorów unieruchomionych. Wymienia i charakteryzuje parametry fizyko-chemiczne, kinetyczne, katalityczne i ekonomiczne decydujące o doborze katalizatora unieruchomionego. Wylicza istotne parametry procesowe katalizatora unieruchomionego oraz reaktora typu STR i PBR z unieruchomionym enzymem.

Identyfikuje wyroby finalne przemysłu spożywczego możliwe do uzyskania wyłącznie metodą biokatalizy oraz rozpoznaje obszary ich zastosowań w różnych gałęziach gospodarki.

Rozpoznaje parametry decydujące o efektywności ekonomicznej stosowanego biokatalizatora. Definiuje zasady dobierania preparatów umożliwiające wykorzystanie procesów biokonwersji w celu łagodzenia skutków wahań koniunktury.

Rozpoznaje specyfikę stosowania biokatalizy w przemyśle paszowym, gdzie przewód pokarmowy zwierzęcia pełni rolę nietypowego bioreaktora, w którym niektóre parametry są drastycznie zmienne i nie podlegają kontroli. Identyfikuje możliwości modyfikacji składu chemicznego tusz drobiowych i jaja kurzego poprzez dodatek zastosowanie handlowych preparatów enzymatycznych jako dodatków paszowych.

Identyfikuje złożoność i specyfikę procesu enzymatycznej maceracji tkanek roślinnych oraz wymienia unikalność i znaczenie enzymatycznego rozluźniania tkanek w procesie pozyskiwania cennych substancji wewnątrzkomórkowych

Identyfikuje różnice i podobieństwa proteolizy pełnej i ograniczonej, transglutaminację oraz zastosowania tych procesów w przetwórstwie mleka i mięsa. Wskazuje na endogenne aktywności tkanek roślinnych i zwierzęcych, które wywołują lipolizę. Rozumie ujemne i dodatnie skutki lipolizy w różnych gałęziach przemysłu oraz potrafi wskazać handlowe preparaty lipaz, które mogą być wykorzystane do stymulacji lipolizy.

Wskazuje na znaczenie biokatalizy dla optymalnego wykorzystania surowców, minimalizacji i utylizacji odpadów przemysłu spożywczego oraz pozyskiwania substancji aromatycznych i bioaktywnych z surowców roślinnych.

Umiejętności

Zapisuje prawidłowo równania reakcji, posługuje się poprawnie nomenklaturą enzymatyczną i jednostkami aktywności.

Ustala warunki oznaczania aktywności enzymów i wylicza dawki preparatów enzymatycznych optymalne dla danego procesu. Umie regulować szybkość przebiegu procesu enzymatycznego i przewidywać stopień konwersji substratu oraz ilość wytworzonego produktu. Zna podstawowe metody oznaczania aktywności enzymów.

Świadomie dobiera preparaty enzymatyczne i parametry ich działania najlepsze do usprawnienia danego procesu technologicznego

Wykazuje znajomość słabych i mocnych stron przyjętego rozwiązania technologicznego

Potrafi zinterpretować otrzymane wyniki, przeprowadzić ich analizę statystyczną i wyciągnąć wnioski z otrzymanych rezultatów

Kompetencje społeczne

Zna niebezpieczeństwo wynikające ze stosowania odczynników w badaniach i jest odpowiedzialny za bezpieczeństwo pracy własnej i innych

Demonstruje zdolność efektywnej pracy indywidualnej, potrafi pracować w zespole, demonstruje umiejętność kierowania grupą, potrafi podejmować decyzje, planować i organizować pracę oraz wykazuje umiejętność zarządzania czasem

Jest świadomy zagrożeń środowiskowych współczesnej biotechnologii

Potrafi korzystać z komputerów w celu zdobywania i gromadzenia informacji, przetwarzania danych i budowania nowych tekstów, informacji graficznych i prezentacji

Na ocenę 2

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)

Nie potrafi posługiwać się nomenklaturą enzymatyczną i nie rozpoznaje różnic w mechanizmach reakcji katalizowanych przez enzymy różnych klas. Nie potrafi zapisywać równań reakcji enzymatycznych. Nie zna zasad, metod i narzędzi analizy enzymatycznej. Nie potrafi posługiwać się jednostkami ani wykonywać prostych zadań obliczeniowych.

Nie docenia znaczenia przypadkowości w rozwoju cywilizacji na przykładach istotnych odkryć technologicznych w przetwórstwie żywności, wyjaśnionych później metodami biochemii i mikrobiologii, nie wykazuje zdolności komunikacji ustnej i pisemnej w języku obcym Nie potrafi organizować warsztatu pracy ani pracować w grupie. Nie rozumie zasad obowiązujących w laboratorium biochemicznym.

Na ocenę 3

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 (tabela wyżej)

Zna zasady klasyfikacji enzymów, ale nie potrafi ich wykorzystywać. Z błędami zapisuje równania reakcji enzymatycznych. Zna zasady analizy enzymatycznej, ale nie rozumie, co wynika z nich w praktyce. Oblicza aktywności, dawki enzymów itp., jednak ze znaczącymi błędami.

Nie docenia znaczenia przypadkowości w rozwoju cywilizacji na przykładach istotnych odkryć technologicznych w przetwórstwie żywności, wyjaśnionych później metodami biochemii i mikrobiologii, ale wykazuje zdolności komunikacji ustnej i pisemnej w języku obcym, lub odwrotnie Nie potrafi organizować warsztatu pracy ale umie dostosować się do grupy i wykonać powierzone zadanie. Rozumie zasady obowiązujące w laboratorium biochemicznym.

Na ocenę 4

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

Zna i stosuje nomenklaturę enzymatyczną. Rozpoznaje różnice w mechanizmach reakcji katalizowanych przez enzymy różnych klas. Zapisuje równania reakcji enzymatycznych. Zna zasady, metody i narzędzia analizy enzymatycznej i potrafi je stosować. Oblicza aktywności, dawki enzymów itp. z drobnymi błędami.

Docenia znaczenia przypadkowości w rozwoju cywilizacji na przykładach istotnych odkryć technologicznych w przetwórstwie żywności, wyjaśnionych później metodami biochemii i mikrobiologii oraz wykazuje zdolności komunikacji ustnej i pisemnej w języku obcym. Aktywnie działa w grupie, potrafi organizować warsztat pracy i zarządzać czasem.

Na ocenę 5

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

Zna i stosuje nomenklaturę enzymatyczną, potrafi na podstawie nazwy enzymu wskazać katalizowaną przez niego reakcję i prawidłowo ja zapisać. Świadomie dobiera preparaty enzymatyczne odpowiednie dla danych procesów. Rozumie wpływ różnych czynników na przebieg katalizy i potrafi to wykorzystać w praktyce. Bezbłędnie oblicza i ustala dawki enzymów.

Docenia znaczenia przypadkowości w rozwoju cywilizacji na przykładach istotnych odkryć technologicznych w przetwórstwie żywności, wyjaśnionych później metodami biochemii i mikrobiologii oraz wykazuje zdolności komunikacji ustnej i pisemnej w języku obcym w stopniu bardzo dobrym. Jest liderem grupy planującym i sprawnie organizującym warsztat pracy.