Wykorzystanie mikroorganizmów w nauce i przemyśle

Technologie wykorzystujące potencjał mikroorganizmów rozwijają się bardzo dynamicznie, ponieważ drobnoustroje posiadają wiele korzystnych właściwości, dzięki którym możemy pozyskać różne substancje, takie jak antybiotyki i witaminy, a nawet otrzymać produkty spożywcze: chleb, piwo, wino, ser.

TITLE: The use of microorganisms in science and industry

STRESZCZENIE: Mikroorganizmy występują we wszystkich środowiskach na Ziemi, a do ich wykrycia oraz identyfikacji stosuje się wiele technik i metod biochemicznych, molekularnych oraz genetycznych. Istnieją drobnoustroje, które są szkodliwe, oraz takie, których zastosowanie jest korzystne, a czasami wręcz pożądane. Powszechne wykorzystanie mikroorganizmów w przemyśle znajduje swoje zastosowanie w: browarnictwie, winiarstwie, mleczarstwie, farmacji i biotechnologii. Ze względu na tak wielki potencjał i możliwości, technologie wykorzystujące drobnoustroje rozwijają się bardzo dynamicznie.

SŁOWA KLUCZOWE: mikroorganizmy, przemysł, antybiotyki, fagoterapia, biotechnologia

SUMMARY: Microorganisms occur in all environments on Earth, and many biochemical, molecular and genetic techniques and methods are used to detect and identify them. There are microorganisms that are harmful and those whose use is beneficial and sometimes even desirable. Microorganisms are widely used in industry, e.g. in brewing, viticulture, dairying, pharmacy and biotechnology. Due to such a great potential and possibilities, technologies that use microorganisms are developed very dynamically.

KEYWORDS: microorganisms, industry, antibiotics, phage therapy, biotechnology

Mikrobiologia jest nauką zajmującą się szeroko rozumianymi zagadnieniami związanymi z mikroorganizmami, czyli m.in. bakteriami, grzybami oraz wirusami. Występują one we wszystkich środowiskach na Ziemi, a do ich wykrycia oraz identyfikacji stosuje się wiele technik i metod biochemicznych, molekularnych oraz genetycznych. Istnieją drobnoustroje, które są szkodliwe oraz takie, których zastosowanie jest korzystne, a czasami wręcz pożądane. Z tego powodu właściwości bakterii oraz grzybów są chętnie wykorzystywane w świecie nauki do różnego rodzaju badań z wykorzystaniem żywych modeli badawczych oraz w przemyśle, do produkcji użytecznych dóbr konsumpcyjnych lub półproduktów procesowych.

Mikroorganizmy w przemyśle

Browarnictwo i winiarstwo

Obecność drożdży w produktach piwnych jest zjawiskiem powszechnym. Drożdże, obok wody, słodu i chmielu, są podstawowym składnikiem w sztuce warzelnictwa piwa, które jest wynikiem przeprowadzanych przez nie reakcji biochemicznych [10]. Drożdże piwowarskie to jednokomórkowe organizmy eukariotyczne (grzyby), które w procesie fermentacji alkoholowej przekształcają cukry znajdujące się w brzeczce słodowej w alkohol, dwutlenek węgla i produkty uboczne, takie jak estry, które nierzadko stanowią bukiet piwa, decydując o jego zapachu i smaku. To alkohol jako produkt końcowy nadaje procentowości piwu, jednak dwutlenek węgla produkowany w dużej ilości nasyca je i pozwala na uformowanie charakterystycznej tylko dla tego rodzaju napojów alkoholowych piany [10, 19, 21].

Świadomie wykorzystywaną cechą drożdży jest także ich zdolność do tolerancji środowiska bogatego, jak i ubogiego w tlen. Z tego powodu mogą one przeprowadzać proces fermentacji, znajdując się na powierzchni brzeczki słodowej bądź opadając na jej dno. Drożdże piwowarskie dzielimy na dwie kategorie: dolnej i górnej fermentacji. Saccharomyces cerevisiae w środowisku naturalnym występują między innymi na skórkach owoców – śliwek, winogron, jabłek, gruszek i wielu innych. Gatunek ten wykorzystywany jest w produkcji wina, ale także w browarnictwie w procesie górnej fermentacji [10, 17].

Drożdże górnej fermentacji preferują temperatury 16-24°C i to w tym zakresie temperatur produkowana jest umiarkowana ilość estrów i fenoli [10]. Zbyt mała ich ilość mogłaby nie spowodować wykształcenia się pożądanego smaku, a zbyt duża wpłynęłaby na nadmierną kwasowość lub goryczkę. Drożdże dolnej fermentacji stanowią odrębny gatunek – Saccharomyces pastorianus – i różnią się od wcześniej wspomnianych tym, że podczas procesu gromadzą się na dnie brzeczki i najefektywniej pracują w temperaturze dużo niższej, bo 8-12°C. Poza różnicami w metabolizmie, drożdże dolnej fermentacji dają czysty profil piwa, czyli produkują dużo mniej estrów i fenoli, które wnoszą do piwa owocowe i przyprawowe nuty [10, 17, 19, 21].

W przemyśle browarniczym wyróżnia się dodatkowo proces fermentacji spontanicznej, za który odpowiedzialne są grzyby z rodzaju Brettanomyces, nazywane dzikimi. Pomimo tego, że wiadomo dziś, które gatunki należy stosować w danym procesie fermentacji oraz w jakich warunkach, niektóre browary na świecie, głównie zlokalizowane w Belgii, pozostawiają produkcję piwa naturze. Oznacza to, że polegają na długotrwałym procesie spontanicznej fermentacji spowodowanej przez znajdujące się w powietrzu zarodniki grzybów, które opadając do kadzi doprowadzają do produkcji alkoholu. Z drugiej jednak strony Brettanomyces, tak jak bakterie z rodzajów: Lactobacillus czy Pediococcus, znane jako bakterie kwasu mlekowego, uważane są za negatywnych bohaterów, ponieważ prowadzą do psucia i kwaśnienia piwa. Dzieje się tak przede wszystkim z powodu mało sterylnych warunków produkcji oraz niewłaściwej pasteryzacji [10].

Bakterie Lactobacillus brevis lub Lactobacillus lindnerii są Gram-dodatnimi pałeczkami, które fermentację cukrów znajdujących się w piwie prowadzą do wytworzenia kwasu mlekowego. Jest to możliwe dzięki ich odporności na aseptyczne działanie chmielu oraz często odporności na wysokie temperatury związane z procesem pasteryzacji. Innymi drobnoustrojami odpowiadającymi za kontaminację piwa są bakterie z rodzajów: Pediococcus oraz Micrococcus. Poza odczuciem silnej kwasowości, ich obecności w piwie towarzyszy charakterystyczny maślany zapach, świadczący o produkcji diacetylu. W niskich stężeniach potrafi on wpłynąć pozytywnie na smak i zapach produktu, ale w zbyt wysokich – świadczących o kontaminacji bakteriami kwasu mlekowego – nadaje nieczysty, mało przyjemny maślany zapach [10, 17] (fot. 1).

Poza niebagatelnym wpływem na jakość produktów piwnych, drożdże Saccharomyces cerevisiae wykorzystywane są w przemyśle winiarskim. Dzięki produkcji enzymów odpowiadających za hydrolizę glukozy i fruktozy pochodzących z owoców, prowadzą do wytworzenia etanolu oraz dwutlenku węgla [12]. Tak jak zostało wspomniane wcześniej, gatunek ten powszechnie kolonizuje skórki owoców, ale występuje także w środowisku winnicy: glebie, pomieszczeniach, urządzeniach do produkcji wina. Saccharomyces bayanus to drugi po S. cerevisiae najczęściej wykorzystywany w fermentacji winiarskiej gatunek drożdży [12, 17].

Fermentację w przemyśle winiarskim także można podzielić na spontaniczną i kontrolowaną. Dla procesu spontanicznego charakterystyczne jest zróżnicowanie drożdży pod względem gatunkowym. Na początkowym etapie przeważają rodzaje Hanseniaspora, Candida i Pichia, natomiast wraz ze wzrostem ilości produkowanego etanolu, zmienia się skład gatunkowy, tak że na końcu rozwijają się gatunki etanolooporne Saccharomyces cerevisiae. W przypadku większości produkowanych win, przoduje proces kontrolowanej fermentacji polegający na użyciu wyłącznie jednego gatunku drożdży, czyli S. cerevisiae, dzięki czemu powstanie zdecydowanie mniej produktów ubocznych wpływających na jakość i aromat gotowego wyrobu [12, 17, 19].

Przemysł spożywczy

Bakterie fermentacji mlekowej, takie jak Lactococcus lactis, Streptococcus thermophilus, Bifidobacterium lactis, dzięki swoim zdolnościom i pozytywnemu wpływowi na organizm są szeroko wykorzystywane w przemyśle spożywczym, między innymi do produkcji serów [1, 9]. Przy produkcji serów wyróżnia się dwie główne grupy drobnoustrojów. Pierwszą stanowią bakterie startowe, czyli takie, które dodaje się na różnych etapach produkcji. Druga grupa to mikroorganizmy rodzime, czyli pochodzące bezpośrednio ze składników (mleka) lub urządzeń produkcyjnych. Podstawowym zadaniem mikroflory startowej jest rozkład białek oraz produkcja kwasu mlekowego, czego efektem jest obniżenie pH mleka [9].

Bakterie kwasu mlekowego (LAB) intensywnie się namnażają, ponieważ mleko jest bogatym medium odżywczym. Jednak z czasem liczebność populacji spada na skutek pogarszających się warunków środowiska – obniżającego się pH, temperatury czy zwiększającego się stężenia kwasów organicznych [9, 17]. Podczas rozpadu komórek bakteryjnych, uwalniane są enzymy proteolityczne, które poprzez hydrolizę białek wpływają na konwersję aminokwasów w związki decydujące o smaku i zapachu gotowego produktu. Wykorzystywane są także takie bakterie, jak Propionibacterium freudenreichii zaliczane do bakterii propionowych [1, 2, 8]. Bakterie te przeprowadzają proces fermentacji propionowej, której głównymi produktami są kwas propionowy i dwutlenek węgla, który nie mogąc opuścić masy serowej, gromadzi się w postaci pęcherzyków, szerszej publiczności znanych jako dziury w serze. Ponadto obecność tych bakterii w serze prowadzi do wzrostu zawartości witaminy B₁₂ [5, 17, 19].

Jednak nie tylko bakterie mają swój udział w produkcji serowarskiej. Do produkcji serów z porostem pleśniowym stosowane są liofilizowane lub w płynnej postaci szczepy grzybów pleśniowych Penicillium camemberti, a do serów z przerostem pleśniowym – Penicillium roqueforti [5, 17, 19]. Pleśnie przede wszystkim nadają serom charakterystyczny wygląd, często też kolor oraz zapach. Ponadto zapobiegają rozwojowi niepożądanego rodzaju pleśni, grzybów z rodzaju Mucor spp. Zarówno bakterie, jak też drożdże i pleśnie poprzez swój metabolizm wpływają bezpośrednio na cechy sensoryczne oraz konsystencję wielu gatunków serów.

Czytaj także: Przegląd aktualnie dostępnych technologii sekwencjonowania kwasów nukleinowych