Biologie (Subject) / Biotechnologie (Lesson)

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• Biotechnologie: Definition industrielle Verfahren/Technologien, die Enzyme, Zellen oder ganze Organismen (Bakterien etc.) verwenden oder auf biologischen Prozessen beruhen (z.B. Gärung)
• Gärung allgemein ältester Bereich der wirtschaftlichen Nutzung biologischer Vorgänge → beispielsweise die Fähigkeit von Hefepilzen zu Zucker zu vergären (Alkohol, Backwaren) Mikroorganismen industriell produziert, unverzichtbare Helfer in ökologischen Stoffkreisläufen sowie bei Produktion/Konservierung von Lebensmitteln, Medikamenten und Industriestoffen Qualitätskriterien für Bier: Stammwürze & Gärart
• Gärung: Bier → Grundlage, Geschichte Hefepilze vergären als Bierhefe beim Brauen den Malzzucker in Ethanol und Kohlendioxid Malz entsteht aus angekeimten und danach getrockneten Gerstenkörnern → enthalten Enzyme für den Stärkeabbau (spalten Stärke in Maltose und Glucose) vor 10.000 Jahren zufällig bei der Kultivierung von Getreide entdeckt → andere Kulturen andere Gewürze (Griechen: Würzkraut, Ägypter: Safran) → gallische Mönche: Hopfen
• Gärung: Bier Ablauf der alkoholischen Gärung im Brauprozess Mälzen: Getreidekörner (Gerste oder Weizen) keimen im Wasser → Enzyme bauen Getreidestärke zu Glucose ab → nach 7 Tagen wird aus der Gerste Grünmalz in der Darre (Vorrichtung zum Dörren) werden die Keime luftgetrocknet (es entstehen typische Farb-, Aroma- und Geschmacksstoffe → stark gedarrtes Malz = dunkle Biere, schwach gedarrtes Malz = helle Biere Schroten: grobes Mahlen des Malzes → in großen Bottichen zusammen mit Wasser entsteht Maische (Rückstand Treber – wird als Tierfutter verwendet) Läuterung: Spelzen werden von Lösung getrennt → Würze Zugabe von Hopfenblüten: Bier schäumt → zusätzliche Aroma- und Bitterstoffe → Stammwürze Abkühlung, Beginn der Mikroorganismentätigkeit: Brauhefe zugesetzt, Belüftung → Zucker wird zu Ethanol + CO2  → untergärige Biere (Hefen sinken auf den Grund des Bottichs) → obergärige Biere (Hefen steigen an die Oberfläche und werden abgeschöpft) Nachgärung: 2 bis 12 Wochen in Fässern Filterung und Abfüllung
• Gärung: Wein allgemein in Österreich Weinhefen vergären Zucker des Traubensaftes (Ausgangsmaterial Zellulose wird mithilfe des Bakteriums Zymomonas in Glucose aufgespalten) Weinlese im Spätsommer bis Herbst Eisweine nach erstem Nachtfrost gelesen nach der Weinlese werden Trauben entrappt (von den Stielen befreit) Verarbeitungsmethode unterscheidet sich danach, welchen Wein man erhalten möchte
• Gärung: Wein Gärungsprozess – Rotwein Maische durch Quetschen der roten Trauben 4 bis 14 Tage Gärung: Hefen wurden zugesetzt Keltern (= Pressen) der vergorenen Maische, um flüssig und fest zu trennen → dadurch Anlagerung von Tanninen Reifungsprozess durch Lagerung in Fässern (je länger, desto kräftiger das Aroma)
• Gärung: Wein Gärungsprozess – Weißwein weiße Trauben werden gekeltert Traubenrückstände (= Trester) vom Saft getrennt Saft (= Süßmost) wird geschwefelt, wodurch Bräunung und Verderb verhindert werden Gärung durch Zusetzung von Hefen: Entstehung vontrockenen, halbtrockenen, lieblichen oder süßen Weinen (je nachdem, wann Gärung unterbrochen → unterschiedlicher Restzucker) Lagerung & Reifung nach der Trennung von den Hefen
• Gärung: Wein Gärungspozess – Rosé allgemeine Voraussetzungen zur Gärung rote Trauben nach Methoden der Weißweinherstellung Temperatur sollte 29°C nicht überschreiten Mikroorganismen anfangs aerob der Sauerstoff ist verbraucht → Zucker wird zu Ethanol und Säuren (Weinsäure) vergoren für Schaumweine wird CO2 zugesetzt
• Gärung: Teigeherstellung allgemein Ablauf Bäckerhefe vergärt Zucker im Teig → CO2 entsteht und treibt den Teig auf, Ethanol verdampft in der Backhitze erste Bäckerszunft in Österreich 1256 Milchsäurebakterien (Sauerteig) oder Hefen (Hefeteig) sorgen für Lockerung des Teiges mittels Gärprozess (Lockerung auch durch Hirschhornsalz und Backpulver) Mehl werden Wasser und Mikroorganismen zugesetzt Teig an warmen Ort aufbewahrt → Aktivierung der Hefen/Milchsäurebakterien Mehlstärke durch Amylase zu Maltose abgebaut Lieferung von CO2 und Ethanol (der später verdampft)
• Gärung: Essigsäuregärung allgemein beispielhafter Ablauf – Speiseessig durch Essigsäurebakterien wird Zucker zu Ethanol und Essigsäure oxidiert (freier Sauerstoff notwendig → keine echte Gärung?) Schimmelpilze der Gattung Aspergillus setzen Kohlenhydrate zu Zitronensäure um Verwendung in der Lebensmittelindustrie: Aminosäurenherstellung mithilfe von Bakterien, die dann als Lebensmittelzusätze verwendet werden (z.B. Glutaminsäure als Geschmacksverstärker)
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• Gärung: Milchsäuregärung allgemein Nutzung Bakterien spalten Milchzucker (Lactose) zu Glucose und Galactose → vergären den Zucker zu Milchsäure, wodurch die Entstehung von Fäulnisbakterien gehemmt wird zur Haltbarmachung von Nahrungsmitteln, z.B. Herstellung von Sauermilch, Käse, Sauerkraut und Silofutter
• Milch & Milchprodukte: allgemein, Kuhmilch eines der ältesten & wichtigsten Nahrungsmittel des Menschen heute: 90% der Milch von Kühen, 7% von Büffeln, 1,5% von Schafen und Ziegen Anstieg der Menge an Milch pro Laktation (300 Tage) von 700l auf 8000l 2x täglich gemolken Kalb gleich nach Geburt von Mutter getrennt (nur zwei Wochen lang Muttermilch/Kolostralmilch) Inhaltsstoffe: variieren nach Fütterung und Leistungsfähigkeit
• Milch & Milchprodukte: Milchentstehung Entstehung im Drüsengewebe der Euter (mit vier Zitzen): Milchdrüsenbläschen (Aveolen), in denen aus Aminosäuren und Fettsäuren Milcheiweiß und Milchfett entsteht, von Blutgefäßen zur Nährstofflieferung umgeben Milch fließt über Milchkanäle in ein Sammelbecken (= Euterzisterne oberhalb der Zitzen) beim Melken/durch das Saugen des Kalbs wird Milch in die Zisternen gepresst und über Zitzen abgegeben im Kühlwagen wird die Milch zur Molkerei gebracht in der Molkerei: auf Inhaltsstoffe untersucht, Keimzahl bestimmt & streng hygienisch weiterverarbeitet Pasteurisieren (Wärmebehandlung zur besseren Haltbarkeit & zur Tötung von Mikroorganismen) Zentrifuge trennt Rahm und Magermilch Homogenisieren → Erreichung des gleichbleibenden Fettgehalts von 3,5% bei Vollmilch
• Milch & Milchprodukte: Herstellung von Milchprodukten durch Biotechnologie Beispiel Käseherstellung Käse aus Milch und Molke hergestellt Milch: Eiweiß in Milch wird durch Lab oder Sauerlegung (durch Milchsäure, Essigsäure etc.) zum Gerinnen gebracht (= Ausfällen) → Unterscheidung Süßmilchkäse und Sauermilchkäse Molke: Nebenprodukt bei der Herstellung von Süßmilchkäse (Molkeeiweiß durch Erhitzen zum Ausfällen gebracht) Labenzyme: früher aus Kalbmägen und Labkraut (Pflanze), heute gentechnisch hergestellt → lassen die Milch gerinnen/lösen die Ausfällung des Milcheiweißes aus  gelartig geronnene Milch wird geschnitten → Entstehung eines Bruchs Austreten von Molke: verstärkt durch Erwärmen, Formen, Pressen je nach Korngröße des Bruchs Hartkäse (Emmentaler, Parmesan) oder Weichkäse (Brie, Camembert) Reifung: Ausbildung von charakteristischen Geschmacks- und Baueigenschaften (Einreibung der Käselaibe mit Salz führt zur Wasserabgabe → Rindenbildung)
• Milch & Milchprodukte: Laktoseunverträglichkeit allgemein Zahlen Symptome Ursache Entstehung Therapie Milchzuckerunverträglichkeit weltweit 75% der Menschen, in Europa 10% Durchfall, Blähungen, Völlegefühl, Schmerzen im Ober- und Unterbauch, Übelkeit Fehlen des Enzyms Lactase (Bildung im Dünndarm, zuständig für die Spaltung von Lactose zu Glucose und Galactose) → nicht abgebaute Lactose gelangt in Dickdarm, wo sie von Bakterien abgebaut wird (Produkte: Glucose, Methan, Milchsäure, Essigsäure, Wassertoff) → diese Produkte verursachen Wasserentzug (flüssiger Stuhl) genetisch bedingt oder erworben (durch Mangelernährung) lactosearme Diät, lactosefreie Milchprodukte und Einnahme von Lactase-Präparaten
• Biotechnologische Herstellung von Arzneimitteln Antibiotika: → Produzenten → Entdecker → Wirkungsweise → Antibiotika-Resistenz → halbsynthetische Verbindungen Pilze oder Bakterien 1928 von Alexander Fleming entdeckt: Penicillin (heute synthetisch oder aus Schimmelpilzen) töten Bakterien ab oder verändern ihre Zellwand (Mureinschicht), wodurch die Vermehrung unmöglich wird → manche Bakterien bilden gegen Antibiotika resistente Formen; können das Medikament abbauen oder chemisch verändern → unschädlich → die resistenten Erreger überleben bei einem Einsatz → normalerweise vom Immunsystem unschädlich gemacht, wenn nicht folgt eine starke Vermehrung und das Antibiotikum wird unwirksam deshalb ständig Forschung nach neuen Antibiotika und Einsatz zurückgeschraubt (nur, wenn Erreger unbekannt) Einsetzen von Bausteinen bei der Gewinnung von Antibiotika → werden ins Antibiotikum eingebaut und erreichen zum Beispiel effektivere Wirkungsweise und höhere Variationsbreite (wirkt der Resistenzbildung entgegen; auch – Biosynthesevorgänge verschiedener Bakterienarten kombiniert → siehe Gentechnik)
• Biotechnologische Herstellung von Arzneimitteln: Zellkulturen pflanzliche Arzneimittel Alternativen/Vorgehen Beispiel über 25% der Arzneimittel aus Pflanzen (oft selten/schwer anzubauen) wertvolle Stoffe stattdessen aus Zell- und Gewebekulturen Anlage der Zellkultur in Gefäßen Zellen werden in Bioreaktoren vermehrt, wo sie unter geeigneten Bedingungen Inhaltsstoffe erzeugen, die in Arzneimitteln verwendet werden können Taxol als wichtiges Medikament in der Krebsbekämpfung – aus seltener nordamerikanischer Eibenart
• Biotechnologische Herstellung von Arzneimitteln: Enzymtechnik Nutzen Beispiele Gewinnung von Enzymen → Folgen der Kosten enzymatische Reaktion in der medizinischen Diagnostik (Zucker im Harn, Blutzuckerbestimmung) und zur Gewinnung von Verbindungen bestimmter Struktur in reiner Form (z.B. Cortisol, halbsynthetisierte Penicilline), Einsatz in der Lebensmittelindustrie (Herstellung von Käsesorten, Klärung von Obstsäften, etc.) Zuckerbestimmung im Harn mittels Teststreifen: Glucoseoxidase aus Schimmelpilz, Peroxidase aus Kren und Substanz, die bei einer Oxidation durch das gebildete Wasserstoffperoxid färbig wird Blutzuckerbestimmung (Abwandlung): bei Oxidation von Glucose wird Sauerstoff verbraucht → Wert auf Digitalanzeige ablesbar (Biosensor = Enzym mit elektronischem Messgerät verbunden) aus manchmal transgenen Pflanzen und Mikroorganismen → thermophile Prokaryoten liefern hitzestabile Enzyme (→ siehe PCR) durch teils hohe Kosten bei der Herstellung Suche nach längerer Haltbarkeit → Enzym-Immobilisierung: Bindung der Enzyme an einen Träger (z.B. Kunstharz) – Aktivität verringert, dafür mehrfache Verwendung möglich

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