Mikrobibiotekniikka. Vesa Joutsjoki. Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus MTT Biotekniikka ja elintarviketutkimus Vesa Joutsjoki

Transkriptio

1 Mikrobibiotekniikka Vesa Joutsjoki Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus MTT Biotekniikka ja elintarviketutkimus

2 Mikrobibiotekniikka MTT:llä 1) Genomiset menetelmät hyötymikrobien valinnassa ja haittamikrobien torjunnassa DNA-analytiikkaan perustuvat laji- ja kantatason identifikaatiomenetelmät (Lactobacillus, Leuconostoc, Lactococcus, Propionibacterium, Clostridium, Pseudomonas, Erwinia) Funktionaalinen genomiikka (sovellusspesifiset mikrosirut) (Lactobacillus) 2) Hapatteiden ja tuotantoprosessien optimointi Hapatteiden ja suojaviljelmien koostaminen Tuotantoteknologioiden optimointi Maito- ja kasvispohjaiset tuotteet Raaka-aineen ja tuotantoprosessien mikrobiologisen laadun kehittäminen 3) Elintarvikemikrobit terveysvaikutteisissa tuotteissa Terveysvaikutteisten biomolekyylien tuotto mikrobimetabolian toiminnan tuloksena Helicobacter pylorin kasvun esto

3 Maidon jalostustuotteet: Juustot Kypsytetyt juustot Tuorejuustot Hapanmaitotuotteet Jogurtit Viilit Piimät Ravintorasvat ja levitteet Jäätelöt Jälkiruoat Rahkat Vanukkaat Hapanmaitotuotteet ja juustot maitohappobakteereista koostuvat hapateviljelmät

4 Maitohappobakteerit Gram-positiivisia Ei-itiöiviä Homofermentatiivisia tai heterofermentatiivisia kokkeja tai sauvoja Tuottavat maitohappoa hiilihydraattien fermentaation lopputuotteena Taksonomisesti heterogeeninen ryhmä (paljon taksonomiamuutoksia DNA-tunnistusmenetelmien kehittymisen myötä)

5 Maitohappobakteerit elintarvikkeissa Maitohappobakteereilla tapahtuva hapattaminen on vanhimpia tunnettuja elintarvikkeiden prosessointitapoja hyödynnetään elintarviketeollisuudessa hapanmaitotuotteiden, juustojen, hapantaikinasta valmistetun leivän, joidenkin alkoholijuomien, lihajalostustuotteiden, säilöttyjen vihannesten ja kotieläinten rehujen valmistuksessa Maitohappobakteereiden hyödyntäminen elintarvikkeiden valmistuksessa perustuu maitohapon tuottoon muuttaa tuotteen ph:n lievästi happamaksi estäen pilaajabakteereiden kasvun Maitohappobakteerit voivat myös tuottaa antimikrobisia yhdisteitä (nisiini tunnetuin), jotka ehkäisevät vahingollisten ja terveydelle vaarallisten mikrobien kasvua Eräät maitohappobakteerikannat toimivat terveyttä ja hyvinvointia edistävästi ruoansulatuskanavassa (probioottiset maitohappobakteerit)

6 Maitohappobakteerit juustonvalmistuksessa Kypsytetyn juuston rakenne ja aromi ovat suurelta osin seurausta prosessissa käytetyistä maitohappobakteereista Lactococcus Lactobacillus Leuconostoc Pediococcus Streptococcus thermophilus (muita bakteerilajeja ja homeita) Maitohappobakteereiden vaikutusmekanismi juustonvalmistuksessa perustuu kykyyn pilkkoa hallitusti maidon sisältämiä valkuaisaineita, jolloin lopputuloksena syntyy juuston makuun ja rakenteeseen vaikuttavia molekyylejä

7 The proteolytic system of lactic acid bacteria Caseins Oligopeptides Free di- and tripeptides Proteinase CYTOPLASM Endopeptidases Opp Dtp Aat General aminopeptidases Proline-specific peptidases CELL WALL Di- and tripeptidases

8 Joutsjoki et al., 2002 Journal of Applied Microbiology 92,

9 Courtin et al., 2002 International Dairy Journal 12, Amounts of liberated amino acids (sources or precursors of flavour components) Amounts of liberated amino acids

10 Juuston proteolyysi Maitohappobakteereiden proteolyyttisillä entsyymeillä keskeinen vaikutus (hapatekannat, luontaiset maitohappobakteerit) Proteolyytisen profiilin muutoksilla saadaan aikaan muutoksia vapaiden aminohappojen määrissä vaikutus kypsän juuston makuun (proliini saa aikaan makean maun; Cheddar-juustolle tyypillisiä aminohappoja ovat leusiini, glutamiinihappo ja lysiini) Lyhyet, hydrofobiset peptidit aiheuttavat usein kitkerän maun hajoamisen tehokkuus riippuu proteolyysin määrästä ja laadusta

11 Maidon proteiineista vapautuvat bioaktiiviset peptidit 3-20 aminohapon mittaisia oligopeptidejä Vapautuvat maidon proteiineista proteolyyttisten entsyymien toiminnan kautta: Lisätyt proteolyyttiset entsyymit Mikrobien entsyymit Ruoansulatuskanavan entsyymit Useita vaikutusmekanismeja: Antihypertensiivisyys (verenpaineen säätely; angiotensiiniä muuntava entsyymi (ACE) osallistuu verenpaineen säätelyyn ACE:a inhiboivat peptidit) Antimikrobisuus Immuunijärjestelmän säätely Mineraalien kuljetus (Ca 2+ ) Opiaattien kaltainen vaikutus Hapanmaitovalmisteet ja juustot hyviä bioaktiivisten peptidien luonnollisia lähteitä

12 Ryhänen et al., 2001 International Dairy Journal 11,

13 Lactobacillus helveticus Useita aminohappoauksotrofioita tarvitsee aminohappoja kasvualustastaan Monimuotoinen ja tehokas proteolyyttinen järjestelmä proteiinien pilkkomiseksi Käytetään juustonvalmistuksessa kitkerän maun poistamiseen ja aromin lisäämiseen Koko genomi sekvenssoitu parista kannasta Puhdistettujen proteolyyttisten entsyymien hydrolyyttistä aktiivisuutta tutkittu intensiivisesti Eräät kannat tuottavat maidon proteiineista kahta tripeptidiä (Val- Pro-Pro ja Ile-Pro-Pro), joiden on todettu kliinisissä testeissä alentavan verenpainetta

14 Gene replacement in Lactobacillus helveticus Deletion: X-prolyl dipeptidyl aminopeptidase (PepX) aminopeptidase (PepN) MW MW Bhowmik et al., 1993 MW; molecular weight marker 1: pepx gene of Lb. helveticus wt 2: pepx gene of Lb. helveticus (pepx - ) 3: pepn gene of Lb. helveticus wt 4: pepn gene of Lb. helveticus (pepn - )

15 Cell counts and ACE-inhibitory activity of wild-type Lb. helveticus and its pepetidase-deletion derivatives during the course of cultivation in milk 1,0E Cell count (Log cfu ml -1 ) 1,0E+09 1,0E+07 1,0E+05 1,0E ACE inhibition (% 0.1 mg protein -1 ) 1,0E Cultivation time (hours) Cell counts of the wild-type Lb. helveticus ( ), the pepn-mutant ( ) and the pepx-mutant ( ). ACE inhibitory activity of the wild-type Lb. helveticus ( ), the pepn-mutant ( - -) and the pepx-mutant ( -- --)

16 Lactobacillus helveticus: proteolyysin vaikutus bioaktiivisten peptidien tuottoon maitokasvatuksessa Korkeampia ACE:n estoaktiivisuuksia voidaan määrittää Lb. helveticuksen peptidaasimutanttien maitokasvatuksista kuin isäntäkannan vastaavasta kasvatuksesta Kohdennetut Lb. helveticuksen proteolyyttisen järjestelmän modifikaatiot johtavat ACE:n estoaktiivisuuden muutoksiin maitokasvatuksen aikana tapahtuvassa proteiinien hydrolyysissa