Biotechnologie

Anwendung zur Integration von fremder DNA
--> Gleiche oder fast gleiche Abschnitte eines Chromosoms tauschen untereinander Teile aus (Crossing Over)
-->Nutzung der zelleigenen Rekombinationsenzyme zum Genaustausch
--> Zweimaliges Crossing Over zwischen Plasmid und Chromsom: 1. Konintegrat 2. Resolution
--> Sequenz befindet sich im Chromosom, Plasmid fällt weg

--> Identische Enzymaktivität
--> Identische AS-Sequenz wie Labextrakt
-->identische physikochemische und immunologische Eigenschaften der Proteine
--> keine posttranslationale Modifikation bei beiden
--> keine relevanten Unterschiede bei Käsereiversuchen
--> keine toxischen Substanzen nachweisbar

--> Inaktivierung von bitterspaltenden Proteasen
--> Verstärkung von probiotischen Eigenschaften
--> freisetzung von bioaktiven Peptiden aus Milchprodukten
--> Erzeugung von Phagenresistenz bei Starterkulturen

1. Betrifft Lebensmittel mit neuer/gezielt veränderter primärer Molekülstruktur (Fettersatzstoffe, Süßungsmittel)
2. LM, dei aus Einzellerproteinen bestehen, diese enthalten oder daraus hergestellt werden --> Proteine und andere Stoffe aus Algen, Bakterien, Hefen und Schimmelpilzen
3. LM, die nach bisher nicht gebräuchlichen Verfahren entwickelt wurden, wodurch sich bedeutende Änderungen in Zusammensetzung und Struktur des Endproduktes ergeben ( Nährwert, Verdaubarkeit, Verstoffwechselung usw.)
--> Pasteurisierung mit hydrostatischem Druck
4. Kriterien: Selbstklonierung
Nukleotidsequenz muss bekannt sein, Keine Antibiotikaresistenz als Selektionsmarker, bei Vektoren enger Wirtsbereich

Eignung für LM
--> gentechnische Veränderungen sollten so gering wie möglich gehalten werden, sodass eine einfache Sicherheitsüberprüfung möglich ist.

Problem: Menschen könnten bei der Nahrungsaufnahme Bakterien mit verändertem Erbmaterial aufnehmen.
--> Möglichkeit der Übertragung der Resistenzgene auf andere Mikroorganismen
--> Krankheitserreger könnten therapieresistent
Positiv: einfache Selektion, Starterkulturen sind widerstandsfähig

ABER: Anwendungsverbot bei Lebensmitteln
Lösung: Food-Grade, andere Selektionsmarker, z.B. Hitzeschockgene

Food-Grade: lebensmittelgeeignet
Selbstklonierung: Veränderung der DNA eines Organismus ohne Einführung fremder DNA (nur verwandte Arten inklusive die DNA ihrer Phagen)

Nachweis DNA-Ebene: Die Zielsequenz muss bekannt sein, kommt sonst nicht im zu untersuchenden Genom vor, DNA-Extraktion aus LM, Nachweisreaktion durch Polymerase-Kettenreaktion (PCR)- Zugabe von Primer, Amplifizierung gewünschter Region, Auftrennung entstandener Kopien durch Agarose-Gelelektrophorese, Bestätigungsreaktion durch Hybridisierung des korrekten Amplifikationsproduktes mit radioaktiver DNA-Sonde, Sequenzspezifische Bindung der Sonde an DNA
Nachweis auf  RNA-Ebene: Gelelektrophorese, Northern Blot, Hybridisierung mit spezifischen, markierten Sonden
Nachweis auf Protein-Ebene: SDS-Gelelektrophorese (Zusätzliche Bande für gentechnisch verändertes Protein im Vergleich zu konventionellen LM), Immunologischer nachweis über spezifische Antikörper, wenn nachzuweisendes Protein bekannt ist
Nachweis des Phänotyps: sichtbar veränderte Eigenschaften, veränderte Enzymaktivität

(Nachweis bei Pflanzen: Der Selektionsmarker, da Entfernung bisher noch schwer möglich)

Ziel: Vervielfältigung der DNA (in großen Mengen)
Prinzip: 1. Denaturierung (90-98°C)
              2. Anlagerung von Primer (50-60°C)
              3. Elongation (70-80°C)
        --> Synthese neuer DNA, beginnend am Primer
--> Enzymatische Vervielfältigung oder Isolierung der DNA
--> 30-50mal wiederholt (Nachweisbarkeit: Gelelektrophorese)
--> hitzeresistente Bakterien
 

Problem: Phagenbefall, häufig sind Milchsäurebakterien befallen. Phagen passen sich den Veränderungen an. Lösung: isogene Stämme
--> haben das gleiche Erbgut, aber unterschiedliche Resistenzmechanismen(Adhäsion, DNA-Restriktion, I-Modifikation, abortive Infektion)
--> Rotation im Einsatz der Stämme, unterschiedliche Resistenzmechanismen wechseln sich miteinander ab.
--> Phagen haben so wenig Zeit, sich auf einen neuen Stamm einzustellen.

Organismus, dessen genetisches Material so verändert ist, dass es auf natürliche Weise, durch Kreuzen und/oder natürliche Rekombination nicht möglich ist.
--> Ausnahme: Mutagenese (Strahlung) etc.

Erkennungssignal für die RNA-Polymerase
--> Anlagerung der RNA-Polymerase zusammen mit Sigma-Faktor (wird zum Auffinden des Promoters benötigt)
--> Öffnung der DNA (Transkriptionsauge)
- 35-Region: dient der Erkennung
-10-Region: leichte Trennung der beiden DNA-Stränge
+1: Initiationsstelle: Beginn der Synthese

DNA-Abschnitt, der die genetischen Informationen zur Synthese von RNA bzw. eines Proteins enthält, einschließlich notwendiger, regulatorischer Sequenzen.

=Vektor-DNA
--> extrachromosomales, ringförmiges DNA-Molekül (Satelliten-DNA)
--> Vorkommen: zusätzlich zum eigentlichen Bakterienchromosom, in unterschiedlicher Anzahl in Prokaryontenzelle
--> codiert phänotypische Merkmale (z. B.: Antibiotikaresistenzen, Tumorinduktion)
--> autonome Replikation (unabhängig vom Bakterienchromosom)

Anfrischsauer+Anstellgut-->Grundsauer-->Vollsauer--> Teig (vom Vollsauer wird dann wieder Teig für als Anstellgut zurückgestellt)
Das ganze wird reguliert über Temperatur, Mehl und Wasserzugabe
Anstellgut+Wasser+Meh-
-->Anfrischsauer+Wasser+Mehl
--> Grundsauer+Wasser+Mehl
-->Vollsauer+Zutaten-->Botteig
Anfrischsauer: Vermehrung der Hefen bei 26°C für etwa 6h
Grundsauer: Säurebildung durch Milchsäuregärung bei 23-28°C für 8h
Bildung des Vollsauers: Ausreifung--> Vermehrung von hefen und Milchsäurebakterien für 3h bei 30°C

 

Humanisierung des Sauerteiges
--> sehr hoher Zeitaufwand, insbesondere nachts
--> Beigabe anderer Säuren möglich, aber kann zu schlechtem Geschmack führen
Milchsäurebakterien: Beeinflussen die Quell- und Backfähigkeit (durch pH-Wert-Senkung), Beeinflussung der wirksamen Enzyme, Geschmacks- und Aromastoffe, Schutz vor Fremdgärung --> Konkurrenzflora, synergetische Wirkung auf Hefen, antagonistische Wirkung auf Schimmelpilze--> Verlängerung der Haltbarkeit
Hefen: Teiglockerung durch CO₂-Produktion, Erzeugung von typischen Geschmacks- und Aromastoffen

Verkleisterung: Suspension aus Wasser und Mehl
--> Aufplatzen der Stärke, zähflüssig werden, höhere Amylaseaktivität. Stärkeabbau ist erst nach der Verkleisterung möglich, zu frühe Verkleisterung erhöht die Amylaseaktivität
--> Zusammenspiel, Ablauf der Stärke und Amylaseaktivität
--> Amylogramm wird nur für Mehle durchgeführt
hoch: Starke Säuerung
niedrig: Enzymbeigabe, Malzmehlbeigabe

Teigausbeute: Über Wasser und mehr Sauerstoff, Teigausbeute niedrig: Milchsäure, Teigausbeute hoch: Hefen

Substrat: Die verschiedenen KH werden unterschiedlich umgesetzt, in Bezug auf Art und Zeit, der Gehalt im Endprodukt ist von der Gärzeit abhängig
Sauerstoffangebot während der Gärung
   aerob: C₆H₁₂O_6-->6H₂O+6CO₂ --> Massenwachstum und Vermehrung
   anaerob: C₆H₁₂O₆--> 2C₂H₅OH+2CO_{2 -->} Ethanolbildung
Temperatur:
Warmgärung: schnell, Bildung schwerflüchtiger Komponenten (erwünscht bei Rotwein)
Kaltgärung: langsam, weites Produktspektrum der Aroma- und Geschmacksstoffe (Buketstoffe)
--> Glycerin, Säuren, höhere Alkohole
--> Wachstum unerwünschter Mikroorganismen möglich
--> Fehlaromen: Essigsäure , Essigester
Sauerstoffanwesenheit am Ende der Gärung:
--> Bildung von Acetaldehyd, wenn Hefen noch aktiv sind
--> Oxidation der Gerbstoffe nach Beendigung der Gärung
 

Weichen: Start enzymatischer Aktivität durch Wasserzugabe, von 22% auf 38% Wassergehalt (höchste Aktivität)
Sauerstoffzugabe: Unterdrückung alkoholischer Gärung, Unterscheidung in Nass- und Trockenweiche, Aufkeimen der Braugerste durch Aktivierung der Enzyme --> Einleitung einer raschen und gleichmässigen Auskeimung, Dauer 40-80h bei 10-13°C
Keimung: bei 14-18°C und 35-50% Wassergehalt --> Bildung und Aktivierung der Enzyme durch Erhöhung des Wassergehaltes (Amylasen, Proteinasen, Peptidasen, Hemicullasen, Gluconasen) --> enzymatischer Abbau der Speicherstoffe (Stärke, Proteine, Gerüst- und Stützsubstanzen) --> Erweichung bzw. Auflösen der Zellwände und des Mehlkörpers--> Grünmalz
Darren: Stufenweise Trocknung auf 2-4% Wassergehalt bei 50-60°C --> Anreicherung der Abbauprodukte --> Wurzelkeimling stirbt ab --> Rückgang der enzymatischen Aktivität, aber keine vollständige Inaktivierung
--> Bildung von Farb-, Geschmacks- und Aromastoffen
--> Maillard-Reaktion, Streckerabbau, Karamellisierung --> Darrmalz

Funktionen des Hopfens: Klärmittel, Fällung der Eiweißstoffe, Geschmacksbildung: bitter, Haltbarkeit durch antibiotische Aktivität, Unterstützung der Schaumbildung durch den Pektingehalt
Würzekochen:
--> Lösung und Isomerisierung von Bitterstoffen
--> Isokumalone (Wasserlöslichkeit und Bitterkeit steigt)
--> Inaktivierung der Enzyme

Untergärige Biere: Sacharomyces carlsbergensis
--> Keine Ausbildung von Sproßverbänden --> Am Ende der Gärung Absetzen auf dem Boden

Obergärige Biere: Saccharomyces cereviriae
--> Ausbildung von Sproßverbänden --> Raffinose kann zu 1/3 vergoren werden -->Aufsteigen während der Gärung nach oben

Nachgärung:
untergärige Biere: 1-4Monate bei 0-2°C
obergärige Biere: 1-3Tage bei 18-25°C
--> evtl. Nachgärung in der Flasche für 7-21 Tage

Weiter Vergärung der Restwürze: Anreicherung & Sättigung mit CO₂, Endgehalt ca. 0,5%
--> natürliche Klärung (Hefeabsatz, Trubsedimentation) Veredelung und Abrundung des Geschmacks

Maillard Reaktion: Vorraussetzung: Vorhandensein von reduzierenden Zuckern und Aminosäuren (bzw. Aminogruppen) --> hohe Temperaturen sind förderlich, aber nicht notwendig
Reaktion:
reduzierende Zucker+freie Aminogruppe
-->Glycosylamine - H₂O
-->Imin
--> Schiff´sche Base
--> Amadori-Umlagerung/Heyns-Umlagerung (Aldose zu Ketose oder ketose zu Aldose)
--> Desoxysone (sehr reaktiv)
--> weitere Reaktionen liefern eine Vielzahl von Maillard-Produkten
wie Pyrolle, Thiophene, Komplexe Melanoide = braune Pigmente

Karamellisierung: nur Zucker reagieren (nicht reduzierende Zucker) --> Kein Verlust an essentiellen Aminosäuren --> NUR beim Erhitzen, Milieu-abhängig
sauer: stark gefärbte Produkte
basisch: starke Aromabildung
--> Wegen Fragmentierungsreaktion

Bedingungen:
Sauerstoff, Substrate (phenolische Inhaltsstoffe, z. B. Catechine) und das Enzym Polyphenoloxidase (PPO: optimal bei 30°C und pH-Wert 7) müssen in Kontakt gelangen

Unterdrückung:
Temperaturerhöhung auf 80°C (blanchieren)
--> vollständige Inaktivierung der PPO
pH-Senkung unter 3
--> vollständige Inaktivierung der PPO
O₂-Ausschluss
Citronensäure: Komplexbildung mit Cu-Zentralatom
 

Bräunliche Färbung (durch Melanine), Abnahme des adstringierenden Geschmacks (zusammenziehend)
Bildung von Aroma- und Geschmacksstoffen
--> durch Eiweißfällung

Fermentation = Rotten
Bildung von Vorstufen charakteristischer Geschmacks- und Aromastoffe--> Für die Röstung
--> Bildung von Farbstoffen (typisches Kakaobraun) auch durch PPO
--> Abnahme des adstringierenden Geschmacks
-->Ablauf in zwei Reaktionsstufen
 1. Zu Beginn der Fermentation: Reaktionen im              
     Fruchtfleisch (Pulpa)
 2. Reaktionen im Kakaosamen
     - enzymatische Reaktionen
     -->Invertase bildet reduzierende Zucker, PPO,
         Proteinasen bilden Aminosäuren
     -Nicht-enzymatische Reaktionen:
     --> Maillard-Reaktion

Entstehung charakteristischer Farb- und Aromastoffe-->besonders Pyrazine & Furanone
-Maillard-Reaktion
-Strecker-Abbau (AS zu Melanoiden)
-Oxidation der Gerbstoffe
-->weitere Ziele:Inaktivierung von Enzymen, Reuktion des Wassergehaltes auf ca. 3%, Entfernung von leicht flüchtigen Fehlaromen (Essigsäure), Abtötung von Schädlingen, Härtung für bessere Ablösung der Kakaosamenschale
 

Kaffee:
Geringe Auswirkungen auf den Samen, Dauer 6-24h, wird ständig durchgespült, Temperatur: 20-40°C, Pulpa wird mechanisch entfernt, keine Milchsäure- oder Mikroorganismengärung

Kakao:große Auswirkung auf den Samen --> der Keimling stirbt ab, Dauer sortenabhängig: Criollo: 2-3Tage, Torasko: 5-8Tage, Umschichten bei 45-50°C, die Pulpa wird enzymatisch entfernt, es findet Milchsäure-/Mikroorganismengärung statt
 

Röstung = trockene Erhitzung des Rohkaffees führt zur wasserverdunstung auf < 5%
-Quellung der Kaffeebohnen bei ca. 100°C
-Platzen der Kaffeefurche bei 120-150°C --> Entfernung leicht flüchtiger Fehlaromen
-intensive Farb- und Aromastoffbildung ab ca. 170°C
--> Karamellisierung (Reaktion nicht reduzierender Zucker)
-->Maillard-Reaktion (Reaktion reduzierender Zucker+Aminosäuren)
-->Strecker-Abbau (Reaktion von alpha-Dicarbonylverbindungen zu Aminocarbonylverbindungen, Aldehyden und CO₂)
--> Kondensations- und Oxidationsreaktionen (Chlorogensäureabbau)
-->Verbrennung bzw. Überröstung >250°C

Weißer Tee: nur junge Knospen
Grüner Tee: Junge Knospen + Sprossen
Schwarzer Tee: Junge Knospen, Sprossen und Fermentation

Farbe: Kupferfarben, rötlich-braun
-entsteht durch Kondensation und Oxidation von Phenolen während des Fermentationsvorganges --> Theaflavine und Thearubigene
--> dabei Farbänderung von rötlich zu bräunlich (Kupfer)
-bei Trocknung:
Antrocknen des Zellsaftes auf den Teeblättern und Farbänderung von Kupfer zu Dunkelbraun bis schwarz
-bei Aufguss:
Ablösen des farbigen Zellsaftes von den Blättern
--> Färbung des Teewassers

Aufbau Pektinmolekül:
-Matrixsubstanz in der Zellwand
-Galacturonsäure, alpha (1-4)verknüpft
-Carboxylgruppe mit Methanol verestert (21-95%)
-teilweise Verknüpfung mit L-Rhamnose und anderen Monosacchariden
-teilweise acetylierte OH-Gruppen
-Ca-Ionen können Carboxylgruppen vernetzen --> Bildung des unlöslichen Protopektins

Funktionen:
pektinolytische Enzyme: Pektinesterase (PE)
Polygalacturonase (PG)
Pektinlyase
PE: hydrolitische Abspaltung von Methanol (vom Pektin), ermöglicht den Angriff für PG --> hydrolytische Spaltung von Pektat --> Abbau hochmolekularen Pektins

Aufgabe allgemein:
1. Maischebehandlung und Saftgewinnung, Abbau
    von Zellwandbestandteilen - Saftausbeute steigt
2. Verflüssigung: Maceration (Verflüssigung des kompletten Gewebes)
3. Klärhilfsmittel: Pektine als Schutzkolloide der
    Trubstoffe werden entfernt, partielle Pektinolyse
    der Trubstoffhüllen --> Pektin und Teil der Trubstoffe
    fällen ausund können filtriert werden
--> Gelatine (ist NICHT negativ geladen) aggregiert mit
      negativ geladenen Trubstoffen --> Abtrennung
Nachteil hochmolekularer Pektine:
-Filtrationsschwierigkeiten durch Viskositätserhöhung
-Entstehung von Nachtrübungen
-Bildung von Ausflockungen und Gelierungen
 

1. Rohware wird verlesen, gewaschen und mechanisch
    aufgeschlossen
2. Maische:
    Einwirkung von
   -Pektinasen, Cellulasen, Hemicellulasen
   -Abbau löslicher Pektine
   -Senkung der Saftviskosität
   -Maceration
3. Trüber Saft, Einfluss von
   -Pektinasen, Amylasen, Hemicellulasen
   - Vorbereitung zur Fällung
   - Vermeidung der Nachtrübung
   -Viskositätssenkung
  --> fällen der Trubstoffe und Filtration und stabilisieren gegen Nachtrübung
4. Klarer Saft
   -entweder: Pasteurisierung und Direktvermarktung
   - oder: Konzentrierung