Biologia szkoła ponadgimnazjalna/Biotechnologia tradycyjna

Biotechnologia

Mikroorganizmy mogą produkować witaminy w bioreaktorach

Biotechnologia to nauka, która jest rozwijana na wielu różnych uczelniach. Biotechnologia oznacza zastosowanie technologiczne systemów biologicznych, organizmów żywych lub ich składników, żeby wytwarzać lub modyfikować produkty lub procesy o określonym zastosowaniu. Większość dóbr, z których korzysta współczesny człowiek to produkty zakładów przemysłowych. Część żywności, paliw, leków jest wytwarzana z użyciem organizmów w procesach biotechnologicznych. Wykorzystanie naturalnych organizmów lub enzymów w produkcji przemysłowej określane jest jako biotechnologia tradycyjna. Procesy wykorzystywane przez biotechnologię tradycyjną znane są człowiekowi od tysięcy lat i służyły głównie do produkcji i utrwalania żywności na długo przez powstaniem przemysłu. Większość z nich stosowana jest w gospodarstwach domowych nadal.

Starożytne cywilizacje rozwinęły się w klimacie ciepłym. Długotrwałe przechowywanie żywności w temperaturze pokojowej prowadzi do szybkiego psucia się. Dzięki wykorzystaniu procesów przeprowadzanych przez cześć mikroorganizmów możliwe było gromadzenie zapasów żywności. Od kilku tysięcy lat stosowany jest proces produkcji wina (które może być przechowywane przez dowolnie długi czas) oraz serów. Proces biotechnologiczny wykorzystywany był także do spulchniania pieczywa. Opisy z Biblii podają, że chleb był wytwarzany z użyciem kwasu, zakwasu chlebowego, niewielkiej ilości ciasta, w którym po pozostawieniu rozwijały się bakterie mlekowe wytwarzające dwutlenek węgla powodujący rośnięcie ciasta. Chleb na zakwasie wytwarzany jest także współcześnie.

Fermentacje

Proces fermentacji pozwala produkować piwo lub wino od tysięcy lat.

Kindziuk to wędlina zakonserwowana dzięki fermentacji

Podstawowym procesem biologicznym wykorzystywanym od tysiącleci jest zespół reakcji przeprowadzanych głównie przez mikroorganizmy w celu pozyskania energii ze związków organicznych w warunkach beztlenowych. Reakcje i produkty fermentacji mogą być różne. Jedną z najczęściej wykorzystywanych jest fermentacja alkoholowa. Jest ona wykorzystywana głównie do produkcji napojów alkoholowych. Jeden z nich, wino, jest wytwarzany w niezmieniony sposób od wielu wieków. Istnieje co prawda wiele odmian wina, a dokładny sposób ich wytwarzania jest zależy od tradycji i regionu, jednak podstawowe etapy są takie same. W pierwszym etapie w prasach wyciska się sok z winogron. Wyciśnięty sok, moszcz, poddawany jest następnie fermentacji. Na owocach występują naturalnie drożdże, które mogą się rozwinąć i rozkładając cukry obecne w soku wytwarzają jednocześnie alkohol etylowy oraz dwutlenek węgla. Zwykle zamiast dopuszczenia do samorzutnego rozwoju drożdży obecnych w moszczu dodaje się specjalnie uzyskane szczepy drożdży winiarskich. Proces fermentacji przebiega do momentu, w którym stężenie alkoholu uniemożliwia rozwój mikroorganizmów. Stosowane drożdże winiarskie są w stanie przetrwać w wyższym stężeniu alkoholu, a więc wino produkowane z ich udziałem może zawierać większe ilości alkoholu. Gdy proces fermentacji ustanie, wino poddaje się filtracji. Ostatnim etapem jest dojrzewanie zachodzące w szczelnych beczkach, a następnie zamkniętych butelkach.

Jeśli wino będzie przechowywane z dostępem tlenu zajdzie w nim kolejny proces biotechnologiczny, wykorzystywany w przemyśle. Bakterie kwasu octowego przekształcają alkohol etylowy do kwasu octowego w procesie tak zwanej fermentacji octowej. Nie jest to właściwa fermentacja, ponieważ zachodzi z udziałem tlenu. W ten sposób z wina uzyskuje się ocet winny sprzedawany w sklepach. Możliwe jest także przetworzenie spirytusu, w tym przypadku uzyskuje się ocet spirytusowy także dostępny w sklepach.

Fermentację alkoholową przeprowadza się także w zakładach produkujących piwo – browarach. Kolejnym miejscem, w którym wykorzystuje się reakcję przeprowadzaną przez drożdże, są piekarnie i cukiernie wytwarzające pieczywo i ciasta spulchniane przy wykorzystaniu piekarskich szczepów drożdży. W tym przypadku kluczowym produktem fermentacji jest dwutlenek węgla. Jego pęcherzyki powstają podczas rozwoju drożdży, powodując zwiększenie objętości ciasta. Podczas pieczenia drożdże obumierają, a pieczywo i ciasta pozostają puszyste i miękkie.

Drugim rodzajem bardzo często wykorzystywanej przez człowieka fermentacji jest fermentacja mlekowa. Rekcje przeprowadzane są przez bakterie, które rozkładają cukry proste do kwasu mlekowego. Bakterie mlekowe doprowadzają do zakwaszenia roztworu, w którym się rozwijają. W takim środowisku nie mogą rozwinąć się bakterie gnilne odpowiedzialne za psucie żywności. Fermentacja mlekowa zachodzi podczas produkcji jogurtów, kefirów (w połączeniu z fermentacją alkoholową), śmietany, kiszonych warzyw i owoców. Kiszone warzywa są trwałe i mogą być przechowywane wiele miesięcy bez narażenie na zepsucie. Kiszenie jako metoda konserwacji było powszechnie stosowane przed wynalezieniem i rozpowszechnieniem lodówek. Kiszone były niemal wszystkie owoce i warzywa nie tylko znane dzisiaj ogórki i kapusta. W warunkach przemysłowych kiszenie kapusty i ogórków przeprowadza się w silosach betonowych lub metalowych z możliwością odprowadzenia powstającego dwutlenku węgla. Po okresie fermentacji warzywa pakuje się do beczek plastikowych lub drewnianych. Tak zakonserwowane warzywa są bogatym źródłem witaminy C. W przypadku produktów mlecznych ważną konsekwencją procesu fermentacji jest również ograniczenie zawartości laktozy – cukru, który u osób z nietolerancją laktozy powoduje zaburzenie trawienia.

Bakterie kwasu mlekowego w postaci zakwasu chlebowego używanego do produkcji pieczywa żytniego służą także do spulchniania pieczywa. Ich działanie jest podobne do działania drożdży podczas wyrastania ciasta

Mniej znanym sposobem wykorzystania fermentacji mlekowej jest produkcja wędlin takich jak pochodzące z Włoch salami, drobno mielona kiełbasa, metka lub pochodzący z Litwy kindziuk.

Ser jako produkt uzyskany metodami biotechnologicznymi

Produktami, przy produkcji których wykorzystywanych jest wiele procesów biologicznych, są sery. W sprzedaży dostępnych jest wiele rodzajów serów. Sery kwasowe (twarogi) uzyskiwane są w mleczarniach z wykorzystaniem opisanej już fermentacji mlekowej. Sery podpuszczkowe powstają dzięki użyciu enzymu uzyskiwanego z żołądków zwierząt – podpuszczki. Enzym ten powoduje ścinanie (denaturację) białka obecnego w mleku. Powstałą masę serową formuje się i podaje dojrzewaniu, podczas którego bakterie oraz grzyby rozkładają część białek i tłuszczów. Zmianie ulega zarówno wygląd jak i smak oraz zapach. Sery wytwarzane z zastosowaniem grzybów pleśniowych mogą zawierać biały nalot oraz zielone lub niebieskie plamki różnych gatunków pleśni.

• 
  Brie
• 
  Roquefort
• 
  Camembert
• 
  Coulommiers
• 
  Gorgonzola (ser)
• 
  Munster
• 
  Bleu de Bresse
• 
  Rokpol

Biotechnologia w ochronie środowiska

Osad czynny to mieszanina mikroorganizmów wykorzystywana do oczyszczania ścieków

W krajach wysoko rozwiniętych organizmy wykorzystywane są na skalę przemysłową w miejscach, takich jak oczyszczalnie ścieków czy zakłady utylizacji odpadów. Większość istniejących oczyszczalni ścieków to oczyszczalnie biologiczne, wykorzystujące osiągnięcia biotechnologii. W typowej oczyszczalni ścieków komunalnych zanieczyszczenia rozkładane są przez mieszaninę mikroorganizmów określanych jako osad czynny. W skład osadu czynnego wchodzi wiele gatunków bakterii i protistów (pierwotniaków). Mikroorganizmy odpowiedzialne są za rozkład substancji organicznych, obecnych w ściekach, oraz wchłonięcie wielu zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych – biosorpcji.

Biotechnologia w ochronie zdrowia

Szczególną rolę ze względu na możliwość leczenia wielu wcześniej śmiertelnych chorób odegrała przemysłowa produkcja naturalnych antybiotyków. Są one produkowane przez niektóre gatunki grzybów i niektóre bakterie. Po raz pierwszy antybiotyk, penicylina, został wyizolowany przez trzech naukowców Alexandera Fleminga, Howarda Waltera Florey’a i Ernsta Borisa Chaina w 1938 roku. Rok później naukowcy założyli pierwszą na świecie wytwórnię penicyliny. A w 1945 roku za swoje odkrycie otrzymali Nagrodę Nobla . Wraz z możliwością produkcji antybiotyków wiele chorób bakteryjnych przestało być uznawanych za groźne. Współcześnie mało kto traktuje zapalenie oskrzeli jako groźną chorobę. Naturalne antybiotyki produkowane są w bioreaktorach o pojemności 50-300 m3, w których w optymalnych warunkach rozwijają się mikroorganizmy. Po wyizolowaniu i oczyszczeniu uzyskuje się leki sprzedawane w aptekach. Możliwe jest również, zamiast organizmów, zastosowanie czystych enzymów w celu uzyskania określonych substancji.

Mikroorganizmy w bioreaktorach mogą wytwarzać witaminy lub antybiotyki. Bioreaktor z glonami

Wiele witamin produkowanych jest z zastosowaniem metod biotechnologicznych. Witamina E wytwarzana jest z zastosowaniem glonu słodkowodnego (Euglena gracilis), witaminy B₂ i B₁₂ wytwarzane są z zastosowaniem bakterii. Także jeden z etapów syntezy witaminy C przeprowadzany jest z zastosowaniem mikroorganizmów. Wytworzone witaminy znajdują zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym, w produkcji żywności, pasz oraz kosmetologii.

Biotechnologia w przemyśle

Wraz z rosnąca troską o środowisko zwiększa się zastosowanie organizmów do produkcji paliw. Około połowy uprawianej w Stanach Zjednoczonych kukurydzy i podobne ilości rzepaku w Unii Europejskiej przeznaczane są na biopaliwa. Produkowane są z roślin, z których można uzyskać etanol lub olej.

Przy pozyskiwaniu bardzo cennych pierwiastków wykorzystuje się mikroorganizmy w procesie bioługowania. Pozyskiwanie uranu i miedzi jest możliwe nawet z hałd powstałych przy kopalniach i hutach, w których zawartość metali była zbyt mała aby pozyskiwać je metodami tradycyjnymi. Stosowane bakterie wytwarzają przyżyciowo duże ilości kwasów organicznych, w których metale rozpuszczają się. Możliwe staje się ich wymycie i oczyszczenie.

Pamiętaj

1. Wiele spożywanych przez ludzi produktów wytworzonych jest dzięki procesom biologicznym. Stosowane są od tysięcy lat.
2. Najczęściej stosowane w biotechnologii tradycyjnej są mikroorganizmy: bakterie, grzyby, protisty.
3. Procesy biologiczne mogą służyć zwiększeniu trwałości pożywienia lub poprawie jego wartości.
4. Z organizmów żywych możliwe jest uzyskiwanie na skalę przemysłową leków, składników paliwa oraz innych związków chemicznych.
5. Procesy biologiczne umożliwiają oczyszczanie ścieków, utylizację odpadów i oczyszczanie skażonych terenów.
6. Dzięki organizmom możliwe jest pozyskiwanie metali nawet z hałd, na których gromadzono nieprzydatne odpady z kopalni.

Zadania

1. Wymień jak najwięcej produktów, które mogą być uzyskane z zastosowaniem: drożdży, bakterii mlekowych, roślin oleistych, pleśni, bakterii octowych.
2. Znajdź w Internecie lub innych mediach informacje o chorobach, które mogą być wyleczone dzięki zastosowaniu antybiotyków. Spróbuj oszacować liczbę takich chorób.
3. Jaki proces biologiczny zachodzi podczas produkcji kiszonek będących paszą dla zwierząt? Spróbuj wyjaśnić dlaczego współcześnie ten sposób konserwacji nabrał znaczenia.
4. Grupa składników w proszkach do prania wytwarzana jest z użyciem mikroorganizmów. Określ jakie to składniki oraz jaka jest ich rola podczas prania.