Usos benéficos de los microorganismos en alimentos

06/12/2011

Usos benéficos de los
microorganismos en Microorganismos
alimentos usados en fermentación
Microorganismos usados en fermentación

Cultivos iniciadores y bacteriófagos

Microbiología y producción de alimentos fermentados

Bacterias benéficas intestinales

Biopreservativos alimenticios de origen microbiano
Lactobacillus bulgaricus
Ingredientes y enzimas alimenticios de origen
microbiano

Productos de la microbiología Ventajas de los microorganismos
Industrial como unidades de producción (1)
Bioconversión
Células Sustrato
1. Rápido crecimiento debido a la favorable
relación área/volumen
Producto
Levadura
(bioconversión
de esteroides)
2. Diversidad metabólica

Productos de las Células 3. Estabilidad genética

Enzimas
(Glucosa
Productos
Químicos
4. Crecimiento en gran escala y separación fácil
Isomerasa)
Antibióticos Aditivos
Alcohol (ácido cítrico) de productos y sustratos
(Penicilina) Alimenticios
(aminoácidos)
Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc.
Bioquímica y Microbiología Industrial 2º de Bioquímica Universidad de Zaragoza

Ventajas de los microorganismos
Origen de las cepas
como unidades de producción (2) industriales
5. Adaptabilidad a distintos ambientes y condiciones 1. Colecciones de cultivos
de crecimiento

6. Incremento de la productividad 2. Cepas nativas

7. Facilidad de manipulación genética
3. Organismos genéticamente
8. Modificación de los productos finales modificados (OGM)
9. Tecnologías limpias


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Requerimientos de los Requerimientos de los
microorganismos industriales (1) microorganismos industriales (1)

1. Producir la sustancia de interés 7. Crecer en un medio de cultivo líquido y relativamente
barato
2. Estar disponible en cultivo puro
8. No ser patógeno
3. Ser genéticamente estable
9. Eliminación de las células microbianas del medio de
4. Crecer en cultivo a gran escala cultivo con relativa facilidad

5. Mantenimiento en cultivos durante un período de 10. Ser susceptible de manipulación genética
tiempo largo
11. Que sea capaz de sufrir recombinación genética
6. Crecer y producir el Marcela Martínez M.Sc. deseado rápidamente
compuesto Marcela Martínez M.Sc.

Colecciones de cultivos que suministran Mejora de cepas
cultivos de microorganismos industriales

 American Type Culture Collection (ATCC) 1. Selección de variantes naturales
 Centraalbureau voor Schimmelcultures (CBS) 2. Selección de mutantes inducidas
 Colección Española de Cultivos Tipo (CECT)
3. Obtención de recombinantes
 Fungal Genetics Stock Center (FGSC)
Ingeniería genética
 Microbial Strain Data Network (MSDN)
Modificación deliberada de la información genética de un
 Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und
organismo cambiando directamente su genoma de ácido
Zellkulturen GmbH (DSM) nucleíco. Esto se puede lograr por métodos denominados
Tecnología del ADN Recombinante
Home Pages of Culture Collections in the World

Mejoramiento de cepas de uso
¿Para qué se hace
industrial: métodos genéticos mejoramiento genético?
 Aumentar los rendimientos: debe realizarse en forma
 Mutación y selección PERMANENTE.

 Hibridización y recombinación  Disminuir o eliminar co-metabolitos indeseables (ej.
pigmentos, otros productos, facilitar la purificación)
 Transformación, conjugación y
transducción (bacterias)  Estimular la utilización de fuentes de carbono o
nitrógeno mas baratas (ej. plásticos)
 Clonado y expresión de genes
 Alterar morfología o funciones para obtener
propiedades deseadas (ej. espuma, pellets, etc)

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Modificación de cepas microbianas
por ingeniería genética
Cultivos iniciadores y
1. Identificación y aislamiento del DNA responsable de
un determinado fenotipo bacteriófagos
2. Purificación del gen

3. Fusión del gen con otros fragmentos de DNA
formando moléculas recombinantes

4. Inserción del DNA recombinante dentro de otro
organismo

5. Clonación del gen
Marcela Martínez M.Sc.

Los cultivos iniciadores pueden ser
Cultivos iniciadores “starters” categorizados en mesófilos o termófilos:

 Microorganismos que se • Lactococcus lactis subsp. cremoris
emplean en la • L. delbrueckii subsp. lactis
producción de
productos fermentados
Mesófilos • L. lactis subsp. lactis biovar diacetylactis
• Leuconostoc mesenteroides subsp. cremoris

 sabor, aroma, y producción
de etanol
 actividad proteolítica y
lipolítica • Streptococcus salivarius subsp. thermophilus
• Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus
 inhibición de
microorganismos
indeseables
Termófilos • L. delbrueckii subsp. lactis
• L. casei
• L. helveticus
• L. plantarum

Requisitos de los cultivos Las etapas de propagación que deben realizarse
para llegar a la producción comercial de cultivos
iniciadores iniciadores son:

1. Cultivo madre:
corresponde la primer
inoóculo del cual se
originaran todas las
preparaciones.

2. Cultivo intermedio:
preparación en mayor
volumen originada de la
primera.

3. Cultivo de
producción masiva:
esta etapa corresponde
a la preparación del
producto.

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Alimentos Cultivos iniciadores
Pediococcus acidilactici
Lactobacillus plantarum
Carnes Micrococcus varians Bacteriófagos
Staphylococcus carnosus
Staphylococcus xylosus.
 Son virus parásitos
Lactococcus lactis
bacterianos
Lactococcus cremoris
Streptococcus thermophillus
Lácteos  No pueden crecer ni replicarse
Lactobacillus casei sino están dentro de una
Propionibacterium shermani célula bacteriana
Vinos Leuconostoc oenos
 Atacan y destruyen a la
Lactobacillus sanfransciscus
Panificación mayoría de las bacterias
lácticas
Lactobacillus acidophilus
Bifidobacterium bifidum
Bifidobacterium longum  Impiden el proceso normal de
Bifidobacterium infantis maduración o bien tornándolo
Alimentos lento e ineficiente
Streptococcus thermophilus
funcionales
Lactobacillus casei subsp. Rhamnosus
Streptococcus faecium

Influencia de los fagos sobre
Reproducción de los fagos cultivos iniciadores

1. El fago ataca la superficie de su huésped
2. El ADN es inyectado en el interior de la célula Los bacteriófagos pueden ser inactivados por
medio de los tratamientos térmicos (63-88 C
3. La “maquinaria” celular produce ADN y proteínas fágicas por 30 min.), o por el uso de desinfectantes.
4. Los nuevos fagos se ensamblan en el interior de la célula
5. Los fagos maduros lisan la célula y salen al exterior

Resistencia a los fagos Bacteriófagos benéficos
 Evitando que el virus se
adose a la célula

 Evitando que inyecte su
ADN

 Digiriendo el ADN una vez
inyectado

 Abortando la infección para
que no haya multiplicación
y diseminación viral

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Reducción de bacterias
por fagos a diferentes
concentraciones
Microorganismos
objetivo

 Listeria monocytogenes

 Salmonella

 Campylobacter

 E. coli


Microbiología y producción
Listeria: tratamiento con fagos de alimentos fermentados
 Listeria coloniza las
instalaciones de las plantas y
por tanto es capaz de
contaminar el alimento mucho
después del proceso de
producción

 Aplicar el tratamiento con
fagos en la etapa en donde
surge la contaminación:

 antes del empacado

 durante la etapa de maduración


Fermentación de alimentos
Industria de alimentos
fermentados: pasado y presente

Tradicional Moderna
• Pequeña escala (artesanal) • Gran escala (industrial)
• Medios no estériles • Medios pasteurizados o
tratados con calor
• Abierta
• En contenedores
• Exposición significativa a
contaminares • Mínima exposición a
contaminantes
• Calidad variable
• Calidad constante Procesos en los cuales alimentos crudos son transformados
• Seguridad un asunto
secundario • Seguridad un asunto a alimentos fermentados por el crecimiento y las actividades
prioritario metabólicas de microorganismos deseables

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Alimentos crudos
que se pueden Alimentos fermentados
fermentar
Leche

Carne

Pescado

Vegetales  Son aquellos donde los microorganismos provocan
cambios controlados.
Frutas
 Existen mas de 3500 alimentos fermentados
Granos de cereal tradicionales.
 Europa y América del norte: pan, yogures y queso
Semillas
 África: féculas fermentadas (mandioca)
Judías
 Asia: derivados de semillas Martínez M.Sc. o de pescados fermentados.
Marcela
de soja

Propiedades de los alimentos
La fermentación puede ser: fermentados
Natural Controlada 1. Preservación
2. Valor nutritivo
3. Funcionalidad
4. Digestibilidad
5. Características
organolépticas
6. Valor agregado
7. Alimentos únicos

población microbiana deseable Martínez M.Sc. cultivos iniciadores
Marcela Marcela Martínez M.Sc.

presente naturalmente

Bacteria usadas en la producción
de alimentos fermentados Bacterias ácido lácticas (BAL)
 Protecobacteria  Gram positivas
 Bacterias Gram (-) vinagre  Fermentativas
 Firmicutes
 Catalasa negativa
 Bacterias acido lácticas
 Bacillus  Anaerobias facultativas
 Brevibacterium
 No formadoras de
 Actinobacteria esporas
 Bifidobacterium
 Kocuria  No móviles
 Staphylococcus  Acido tolerantes
 Micrococcus

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Fermentación láctica
homofermentativa Grupo homofermentativo


Fermentación láctica
heterofermentativa Grupo heterofermentativo


Propiedades de los géneros de
Los géneros de BAL BAL
1. Lactococcus
2. Leuconostoc
3. Pediococcus
4. Streptococcus
5. Lactobacillus
6. Enterococcus
7. Aerococcus
8. Vagococcus
9. Tetragenococcus
10. Carnobacterium
11. Weisella
12. Oenococcus

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Lactococcus Productos lácteos fermentados
con Lactococcus lactis
Product Principal acid producers Secondary microflora
Cheese
Colby, Cheddar, Lactococcus lactis ssp. cremoris None
cottage, cream Lactococcus lactis ssp. lactis
Citrate+ Lactococcus lactis ssp.
Lactococcus lactis ssp. cremoris lactis
Blue Penicillium roqueforti
Lactococcus lactis ssp. lactis
Lactococcus se emplea en la industria Fermented milk
láctea en la manufactura de fermentados
como quesos o yogures. Leuconostoc spp. Citrate+
Lactococcus lactis ssp. cremoris
Buttermilk Lactococcus lactis ssp. lactis
Puede usarse en cultivos iniciadores de Lactococcus lactis ssp. lactis
cepas únicas o en cultivos de distintas Lactococcus lactis ssp. cremoris None
cepas o con otras bacterias ácido lácticas
Lactococcus lactis Marcela como Lactobacillus y Streptococcus.
Martínez M.Sc.
Sour cream
Lactococcus lactis Marcela Martínez M.Sc.
ssp. lactis

Streptococcus
Leuconostoc
 No móviles

 Anaerobios facultativos

 Homofermentativos
 St. thermophilus

 St. Lactis (Leuconostoc)

 St. cremoris (Leuconostoc)

Streptococcus thermophilus Martínez M.Sc.
Marcela Marcela Martínez M.Sc.

Lactobacillus
Pediococcus

Pediococcus pentosaceus Lactobacillus bulgaricus Marcela Martínez M.Sc.

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Productos cárnicos y BAL empleadas
durante su elaboración


Otras bacterias importantes Bifidobacterium
en fermentación de alimentos
 Bacterias Gram
 Bacterias Gram (-) Gluconacetobacter positivas

 Bacilos productores de ácido  Anaeróbicos
acético por oxidación del etanol.
 No móviles
 Aerobias obligadas Acetobacter
 Con frecuencia
Gluconobacter
ramificadas
 Mesófilas 25-30°C
 Saprófitas de la flora
intestinal

Utilidades de las bifidobaterias Propionibacterium
 Ayudan en la digestión  Bacilos Gram +

 Anaerobios o
 Menor incidencia de
aerotolerantes
alergias
 Catalasa + (o variable)
 Previenen algunas formas
de crecimiento de  No motiles
tumores
 Mesófilos y neutrófilos
 Algunas bifidobacterias se
 Producción de Quesos tipo
usan como probióticos Suizo

Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. Propionibacterium

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Saccharomyces cerevisiae

Brevibacterium Levaduras
 Bacilos Gram + Fermentación de
alimentos y alcohol
 No móviles

 No esporulados
Producción de enzimas
para uso en alimentos
 Aerobios estrictos
Proteína Unicelular
 Catalasa +
Aditivos para impartir
 Mesofilos 20-35°C sabores deseables a
 B. linens importante en Brevibacterium alimentos
alimentos fermentados:
quesos madurados

Mohos
Bacterias benéficas
 Producción de
alimentos intestinales
 Producción de aditivos
y enzimas

 Aspergillus

 Penicillium

 Rhizopus

 Mucor

Prebióticos Vía metabólica
Los prebióticos son 1. Ingesta de un prebiótico.
un ingrediente
alimentario no 2. Los prebióticos no se
digiere en el estómago ni
digerible que
en el intestino delgado.
benefician al huésped
estimulando 3. Es fermentado por la flora
selectivamente el intestinal benéfica.
crecimiento y /o 4. Nutren a las bacterias
actividad de bacterias benéficas.
en el colon.
5. Se producen AGCC.

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Efecto de las bacterias
benéficas en el colon


Categorías de Prebióticos Estructura de los Prebióticos

 Fructooligosacaridos (FOS)
 Inulina
 Cadena larga de fructosa (n: 2-60) con una glucosa terminal
 Oligofructosa
 Inulina hidrolizada (n=2-8)
 FOS de cadena corta
 Cadena corta de fructosa (n=2-4)con una glucosa terminal

 Galacto-oligosacaridos


Probióticos
Probióticos  Son un suplemento
alimenticio: cultivo puro o
compuesto de
microorganismos vivos.

“Microorganismos vivos que, al ser ingeridos en  Están formados por distintas
cantidades adecuadas, le confieren beneficios de cepas de bacterias y
levaduras fundamentalmente.
salud al anfitrión”
 Tienen la capacidad de
instalarse y proliferar en el TGI
FAO/WHO 2002 y actuar como de promotores
de crecimiento.


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Diferenciación de cepas

- Lactobacillus - Enterococcus

- Bifidobacterium - Bacillus

- Streptococcus - Eubacterium

- Bacteroides - Sacharomyces*


Composición & Efectos de las Bacterias
Factores que afectan el equilibrio
Predominantes en el Intestino de la Microflora Intestinal Humana

 Enfermedades

 Estrés

 Cambios en la dieta

 Edad

 Consumo de antibióticos

 Consumo de probióticos


La Flora Gastrointestinal
Sistemas de defensa del Efecto de barrera - protección contra
intestino infecciones

Competencia por
substratos

Competencia por sitios
receptores

Creación de un
ambiente hostil

Producción de
sustancias
antimicrobianas


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Efectos de la flora
gastrointestinal Criterios de selección
 Médicamente seguros.

 Sobrevivir en el medio en el que se encuentran.

 Sobrevivir al pH del ácido gástrico.

 Resistir a las sales biliares.

 Efectos positivos sobre la salud (demostrado
clínicamente).

 Caracterización segura.


Tipos de probióticos Biopreservativos
alimenticios de origen
microbiano



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Cultivos protectores para Mecanismo antagonista de las
alimentos bacterias ácido lácticas

 Deben ser seguros (de grado alimentario)

 Adaptarse a un sistema alimentario.

 No modificar las características
sensoriales del alimento.


Aspectos relevantes de las bacteriocinas
de las BAL


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Criterios que debe cumplir una
bacteriocina para su aplicación en un Aplicación en alimentos de bacteriocinas o
de las cepas productoras
alimento


b) PEDIOCINA



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Actividad antimicrobiana de diversas
cepas de BAL frente a bacterias patógenas
y no patógenas


Ingredientes y enzimas Enzimas
alimenticios de origen Casi todas las
microbiano reacciones en células
vivas son catalizadas
y controladas por
enzimas.

Catalizadores
biológicos,
convirtiendo
sustancias en otros
productos sin sufrir
cambio alguno.

Microorganismos como fuentes de Microorganismos como fuentes de
enzimas enzimas

Enzimas hidrolíticas simples como:
Producción de grandes cantidades a proteasas, amilasas, pectinasas
bajo coste
Degradan polímeros naturales como
proteínas, almidones o pectina
Uso de mutantes y procesos de
selección que aumentan la
Enzimas extracelulares
producción
Poco específicas

Producción de enzimas hechas a
Fácil extracción
medida a través de ingeniería Bajo coste
genética y diseño de proteínas

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Amilasas Amilasas
Amilasas
Producción de Cerveza
Degradación del polisacárido almidón.
Almidón
Compuesto de almacenamiento de Reemplazo de malta por granos sin
energía en plantas (maíz, arroz, patata, germinar de maíz o arroz, prácticamente
trigo). no contienen enzimas.

Fuente de nutrición muy importante en Se añaden enzimas, amilasas,
animales y humanos (70-80%). glucanasas y proteasas, de hongos y
Últimos 20 años las amilasas han reemplazado la hidrólisis ácida. bacterias.

Almidón a azúcares que sufren
a-amilasa de Bacillus y glucoamilasa de Aspergillus. fermentación alcohólica por levaduras.

Sacarificación genera mucha dextrosa, degradación de almidón
más corta, sin tratamiento ácido. M.Sc.
Marcela Martínez Marcela Martínez M.Sc.

Aplicaciones de las Enzimas
Amilasas Microbianas
Hornear pan
Enzima Fuente Aplicación industrial Industria

El uso de enzimas en panadería se Proteasa Hongos Pan Panadera
ha vuelto popular.
Bacterias Eliminación de manchas Limpieza en seco

Bacterias Ablandador de la carne Cárnica

Bacterias Limpieza de las heridas Medicina
Las amilasas aceleran la
degradación del almidón, y así Bacterias Eliminación de revestimientos Textil
aumenta el contenido de azúcar en Bacterias Detergente doméstico Lavandería
la masa, acelerando el proceso de
fermentación.

El volumen del pan preparado con
enzimas aumenta.

Proteasas Proteasas
Ablandan la carne Ablandan la carne

La papaya contiene altas
concentraciones de las proteasas
papaina y quimiopapaina.

Degradan el tejido conectivo de la
Se usan toneladas de papaina en polvo cada año para
carne, como el colágeno y la elastina,
haciéndola más tierna. ablandar la carne en muchos países.
Se frota la carne y se deja a temperatura ambiente
varias horas.

Ficina del árbol de higos y bromelaina de la planta de
piña.

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Proteasas Enzimas microbianas y sus aplicaciones

Hornear pan Enzima Fuente Aplicación industrial Industria

Invertasa Levadura Relleno de caramelos Confitería
Glucosa Oxidasa Hongos Eliminación de glucosa y oxígeno, Alimentaria
papeles para pruebas de la Farmacéutica
diabetes
El gluten se degrada por proteasas
Glucosa Isomerasa Bacterias Jarabe de cereales rico en glucosa Bebidas refrescantes
obtenidas de hongos para hacer la
Pectinasa Hongos Prensado, clarificación del vino Zumos de frutas
masa más fácil de manejar y aumenta Renina Hongos Coagulación de la leche Quesera
su capacidad para retener burbujas Celulasa Bacterias Suavizante y abrillantador de Lavandería
de aire. tejidos; detergente
Lipasa Hongos Degradar la grasa Lechería, lavandería
Lactasa Hongos Degradar la lactosa a glucosa y Lechería, alimentos
El gluten se une parcialmente al agua galactosa
y tiene consistencia de gel. DNA polimerasa Bacterias; Replicación del DNA por PCR Investigación biológica
Archea y forense.

Las proteasas degradan las proteínas
pegajosas (gluten) en la masa.


Pectinasas Detergentes biológicos
La aplicación más importante de las enzimas hidrolíticas
Producción de zumo de frutas
Al prensar fruta y vegetales para la + Las manchas que contienen proteínas son
obtención de jugo, las pectinas de alto difíciles de remover. Proteínas no se disuelven
peso molecular reducen la producción. fácilmente en agua.
Pectinasas procedentes de cultivos
sumergidos de Aspergillus y Rhizopus. + A altas temperaturas, la proteína se cuaja en
las fibras textiles y es más difícil de eliminar.
Se pica la fruta y se añaden pectinasas
para degradar las pectinas de larga
cadena. + Polvo, hollín y materia orgánica como
grasas, proteínas, carbohidratos y pigmentos.
Se reduce la viscosidad del zumo, Las grasas y las proteínas actúan como
facilitando la filtración y se obtiene más pegamento.
cantidad.
Alimentación de bebés, las pectinasas + Los detergentes sueltan la grasa de la tela,
maceran las fruta y los vegetales para las proteínas permanecen en el material.
hacerlos más suaves y fáciles de comer.

Detergentes biológicos Detergentes biológicos
La aplicación más importante de las enzimas hidrolíticas La aplicación más importante de las enzimas hidrolíticas

Enzimas pancreáticas poco estables y muy caras.
Detergentes biológicos usados
ampliamente, desde mediados 1960.

Producción a gran escala de detergentes biológicos Proteasas 1:50, actividad óptima
1960. durante el proceso de lavado.

Poca especificidad. Omnívoros.
Descubrimiento de la subtilisina de Bacillus
lincheniformis. Degradan proteínas pegadas en
aminoácidos y péptidos de cadena
corta.
Activa bajo condiciones alcalinas.

Las proteínas son desprendidas de
las fibras textiles y eliminadas.

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“Solo una cosa vuelve un sueño imposible: el miedo a
fracasar”
Paulo Coelho

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