Biotekniikka elintarviketeollisuudessa Matti Leisola TKK/Bioprosessitekniikka
Merkittävä teollisuudenala on neljänneksi suurin teollisuudenala työllistää 37 800 henkeä, teollisuudenaloista kolmanneksi eniten toimii noin 2000 toimipaikassa Tuotannon bruttoarvo 8,7 mrd. Koko elintarvikeketju työllistää Suomessa noin 300 000 henkilöä eli 13 % työllisestä työvoimasta
Tärkeimpiä valmisteita Liha ja lihatuotteet Maitovalmisteet Viljavalmisteet Kasvisvalmisteet Ravintorasvat Juomat Makeutusaineet ja makeiset Rehut
Biotekniikka 1. Klassinen biotekniikka: jalostus, mutaatiot, valinta 2. Moderni tuotannollinen biotekniikka: mikrobi-, kasvi- ja eläinsolut tuotantolaitoksina 3. Kasvien ja eläinten geneettinen muokkaus 4. Ihmisen geneettinen muokkaus
Biotekniikan pitkä historia 6000 ekr - 1900 jkr: elintarvikkeet 1910: asetoni, butanoli ja glyseroli 1940-luku: antibiootteja 1950- ja 1960-luvut: aminohapot, orgaaniset hapot solumassa, entsyymit Rokotteet, terapeuttiset proteiinit yms.
Elintarvikkeita Elintarvikkeiden tuotannossa hyödynnetty mikrobeja ja entsyymejä Tuote: Miellyttävä maku Sopiva rakenne Parempi säilyvyys Myös monet sienet merkittävä osa teollista biotekniikkaa
Panimo - ja mallasteollisuus Maltaita valmistetaan sekä panimo- että polttimoteollisuudelle Maltaiden valmistus ohrasta Idätys: tärkkelystä hajottavien entsyymien synteesi kosteuden ja lämpötilan kontrollointi jyvien ilmastus ja kääntely Ilmakuivaus ja itujen poisto
Panimoteollisuus Oluen vuotuinen valmistusmäärä yli 130 miljardia litraa (Suomessa yli 470 miljoona litraa) Raaka-aineet: vesi, mallas, hiiva ja humala Prosessin päävaiheet Vierteen valmistus Pääkäyminen Jälkikäyminen Kaavio lager-tyyppisen oluen valmistuksen eri vaiheista
Uutta tekniikkaa panimoteollisuudessa Immobilisoitu hiiva jälkikäymiseen Myös pääkäymiseen erilaisia jatkuvatoimisia ratkaisuja Geenitekniikkaa ei ole käytetty oluen valmistuksessa Perinteisen tuotteen valmistusprosessin muuttaminen suuri taloudellinen riski
Etanolin valmistus 31 miljardia litraa (1998) 93 % bioteknisesti Fossiilisten polttoaineiden korvaaja Lignoselluloosan pentoosisokereista etanolia
Etanolin biotekninen valmistus Käytettävä raaka-aine vaihtelee alueittain (sokeriruoko, vilja, maissi) Tuotannossa käytetään Saccharomyces cerevisiae hiivaa Etanolin erotus yleensä tislaamalla
Meijeriteollisuus Hapanmaitotuotteiden valmistus (maitohappobakteerit) Hapate Juustojen valmistus Entsyymien (renniini ja kymosiini) sekä mikrobien hyödyntäminen Sivutuotteena syntyvän heran hyödyntäminen Laktoosittomat tuotteet Laktoosi + vesi D-galaktoosi + D-glukoosi Laktoosin erotus laktaasi
Sokeriteollisuus Entsyymiteknologian hyödyntäjä Rypälesokerin ja sokerisiirappien valmistus tärkkelyksestä Nestesokerit Raaka-aineena tärkkelys Käytetään paljon teollisuudessa Amylolyyttiset entsyymit (αamylaasi, β-amylaasi, pullulanaasi ja glukoamylaasi) Amylolyyttisten entsyymien maailmanmarkkina-arvo vuonna 1997 n. 150 milj. euroa (11 % entsyymimarkkinoista)
Fruktoosin valmistus sakkaroosista Invertointi: sakkaroosin pilkkominen invertaasilla Isomerointi: glukoosin muuttaminen fruktoosiksi
Muita biotekniikan sovelluksia Leivonta Entsyymien käyttö Etikan valmistus Hedelmämehut Entsyymiavusteinen uutto Makuaineet Säilöntäaineet
Elintarvikekemikaaleja bioprosessilla Bioetanoli Vitamiineja Erikoismakeuttajia Väriaineita Säilöntäaineita Makuaineita
Tehokas tuotanto edellyttää (joskus) aineenvaihdunnan muokkausta
Maitohappobakteeri GLUKOOSI G-6-P F-6-P Xylulose-5-P ADP ATP Glyceraldehyde-3P Acetyl-P ADP 2NADH ATP 2NAD ETIKKAHAPPO Pyruvate NADH +H NAD ETANOLI MAITOHAPPO
Mannitolia maitohappobakteerilla FRUKTOOSI NADH NAD G-6-P F-6-P MANNITOLI GLUKOOSI Xylulose-5-P Glyceraldehyde-3P Acetyl-P ADP 2NADH ATP 2NAD ADP ATP ETIKKAHAPPO NADH +H NAD Pyruvate MAITOHAPPO Ethanol Geenin inaktivointi
Ksylitolia maitohappobakteerilla KSYLOOSI NADH NAD G-6-P F-6-P KSYLITOLI GLUKOOSI Xylulose-5-P ADP ATP Glyceraldehyde-3P Acetyl-P ADP 2NADH ATP 2NAD ETIKKAHAPPO Pyruvate NADH +H NAD Ethanol MAITOHAPPO Geenin siirto
Entsyymien käyttö lisääntyy Lääke- ja kemian teollisuudessa - Burana, lipaasit Tekstiiliteollisuudessa Rehuissa Elintarvikeprosesseissa (uutto, rakenne, maku) Otan esimerkin eräästä uudesta alueesta
Harvinaiset sokerit Japanissa laajaa yhteistyötä tuottajien ja soveltajien (lääkärit, biotieteilijät) välillä TKK/HY konsortio tutkii harvinaisten sokerien ja polyolien bioteknistä tuotantoa yhteistyössä japanilaisten kanssa
Käyttösovelluksia Ksylitoli: makeutus, terveysvaikutus Ramnoosi: aromi L-arabinoosi: aromi L-riboosi/ L-ksyloosi: lääkeraaka-aine Harvinaiset heksoosit?
Joskus entsyymiä täytyy muokata kestämään prosessiolosuhteita Ksylanaasi Muokattu ksylanaasi
Elintarvikkeiden prosessointi GMO-elintarvikkeet vastatuulessa (Bio)prosessoinnilla voi vaikuttaa laatuun Prosessien sivuvirrat hyötykäyttöön Turvallisuus (toksiinit, allergeenit, patogeenit) Säilyvyys Otan esimerkin juurikasleikkeen hyödyntämismahdollisuuksista
Käsitelty ja käsittelemätön juurikasleike
Sovelluskohteita Lihapulliin suolaa ja makuaineita Marjojen, hedelmien ja vihannesten säilöntä Vettä ja ravinteita kasveille Kuitua leipään Vaippoihin imukykyä
Mansikka 9 päivää jääkaapissa
Mansikka pakastuksen ja sulatuksen jälkeen