Usos benéficos de los microorganismos en alimentos

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Usos benéficos de los microorganismos en alimentos

  1. 1. 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 microbianoProductos de la microbiología Ventajas de los microorganismosIndustrial 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 ZaragozaVentajas de los microorganismos Origen de las cepascomo unidades de producción (2) industriales5. Adaptabilidad a distintos ambientes y condiciones 1. Colecciones de cultivos de crecimiento6. Incremento de la productividad 2. Cepas nativas7. Facilidad de manipulación genética 3. Organismos genéticamente8. Modificación de los productos finales modificados (OGM)9. Tecnologías limpias Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 1
  2. 2. 06/12/2011Requerimientos de los Requerimientos de losmicroorganismos industriales (1) microorganismos industriales (1)1. Producir la sustancia de interés 7. Crecer en un medio de cultivo líquido y relativamente barato2. Estar disponible en cultivo puro 8. No ser patógeno3. Ser genéticamente estable 9. Eliminación de las células microbianas del medio de4. Crecer en cultivo a gran escala cultivo con relativa facilidad5. Mantenimiento en cultivos durante un período de 10. Ser susceptible de manipulación genética tiempo largo 11. Que sea capaz de sufrir recombinación genética6. Crecer y producir el Marcela Martínez M.Sc. deseado rápidamente compuesto Marcela Martínez M.Sc.Colecciones de cultivos que suministran Mejora de cepascultivos 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 Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 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) Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 2
  3. 3. 06/12/2011Modificación de cepas microbianaspor ingeniería genética Cultivos iniciadores y1. Identificación y aislamiento del DNA responsable de un determinado fenotipo bacteriófagos2. Purificación del gen3. Fusión del gen con otros fragmentos de DNA formando moléculas recombinantes4. Inserción del DNA recombinante dentro de otro organismo5. Clonación del gen Marcela Martínez M.Sc. Los cultivos iniciadores pueden serCultivos 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 Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc.Requisitos de los cultivos Las etapas de propagación que deben realizarse para llegar a la producción comercial de cultivosiniciadores 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. Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 3
  4. 4. 06/12/2011Alimentos Cultivos iniciadores Pediococcus acidilactici Lactobacillus plantarumCarnes Micrococcus varians Bacteriófagos Staphylococcus carnosus Staphylococcus xylosus.  Son virus parásitos Lactococcus lactis bacterianos Lactococcus cremoris Streptococcus thermophillusLácteos  No pueden crecer ni replicarse Lactobacillus bulgaricus Lactobacillus casei sino están dentro de una Propionibacterium shermani célula bacterianaVinos Leuconostoc oenos  Atacan y destruyen a la Lactobacillus sanfransciscusPanificación mayoría de las bacterias Lactobacillus plantarum lácticas Lactobacillus acidophilus Bifidobacterium bifidum Bifidobacterium longum  Impiden el proceso normal de Bifidobacterium infantis maduración o bien tornándoloAlimentos lento e ineficiente Streptococcus thermophilusfuncionales Lactobacillus bulgaricus Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. Lactobacillus plantarum 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 Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 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 Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 4
  5. 5. 06/12/2011Reducción de bacteriaspor fagos a diferentesconcentraciones Microorganismos objetivo  Listeria monocytogenes  Salmonella  Campylobacter  E. coli Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. Microbiología y producciónListeria: 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 Marcela Martínez M.Sc. Fermentación de alimentosIndustria de alimentosfermentados: 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 Marcela Martínez M.Sc. prioritario metabólicas de microorganismos deseables Marcela Martínez M.Sc. 5
  6. 6. 06/12/2011Alimentos crudosque se pueden Alimentos fermentadosfermentar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 Marcela Martínez M.Sc.  Asia: derivados de semillas Martínez M.Sc. o de pescados fermentados. Marcela de soja Propiedades de los alimentosLa fermentación puede ser: fermentados Natural Controlada 1. Preservación 2. Valor nutritivo 3. Funcionalidad 4. Digestibilidad 5. Características organolépticas 6. Valor agregado 7. Alimentos únicospoblación microbiana deseable Martínez M.Sc. cultivos iniciadores Marcela Marcela Martínez M.Sc. presente naturalmenteBacteria usadas en la producciónde 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 Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 6
  7. 7. 06/12/2011 Fermentación láctica homofermentativa Grupo homofermentativo Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. Fermentación láctica heterofermentativa Grupo heterofermentativo Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. Propiedades de los géneros deLos géneros de BAL BAL1. Lactococcus2. Leuconostoc3. Pediococcus4. Streptococcus5. Lactobacillus6. Enterococcus7. Aerococcus8. Vagococcus9. Tetragenococcus10. Carnobacterium11. Weisella12. Oenococcus Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 7
  8. 8. 06/12/2011 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. LactobacillusPediococcus Marcela Martínez M.Sc. Pediococcus pentosaceus Lactobacillus bulgaricus Marcela Martínez M.Sc. 8
  9. 9. 06/12/2011Productos cárnicos y BAL empleadasdurante su elaboración Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc.Otras bacterias importantes Bifidobacteriumen 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 Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc.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 9
  10. 10. 06/12/2011 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 Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc.Mohos Bacterias benéficas Producción de alimentos intestinales Producción de aditivos y enzimas  Aspergillus  Penicillium  Rhizopus  Mucor Marcela Martínez M.Sc.Prebióticos Vía metabólicaLos prebióticos son 1. Ingesta de un prebiótico.un ingredientealimentario no 2. Los prebióticos no se digiere en el estómago nidigerible que en el intestino delgado.benefician al huéspedestimulando 3. Es fermentado por la floraselectivamente el intestinal benéfica.crecimiento y /o 4. Nutren a las bacteriasactividad de bacterias benéficas.en el colon. 5. Se producen AGCC. Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 10
  11. 11. 06/12/2011 Efecto de las bacterias benéficas en el colon Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc.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 Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 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. Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 11
  12. 12. 06/12/2011 Diferenciación de cepas - Lactobacillus - Enterococcus - Bifidobacterium - Bacillus - Streptococcus - Eubacterium - Bacteroides - Sacharomyces* Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc.Composición & Efectos de las Bacterias Factores que afectan el equilibrioPredominantes en el Intestino de la Microflora Intestinal Humana  Enfermedades  Estrés  Cambios en la dieta  Edad  Consumo de antibióticos  Consumo de probióticos Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. La Flora GastrointestinalSistemas de defensa del Efecto de barrera - protección contraintestino infecciones Competencia por substratos Competencia por sitios receptores Creación de un ambiente hostil Producción de sustancias antimicrobianas Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 12
  13. 13. 06/12/2011 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. Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc.Tipos de probióticos Biopreservativos alimenticios de origen microbiano Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 13
  14. 14. 06/12/2011 Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc.Cultivos protectores para Mecanismo antagonista de lasalimentos bacterias ácido lácticas Deben ser seguros (de grado alimentario) Adaptarse a un sistema alimentario. No modificar las características sensoriales del alimento. Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc.Aspectos relevantes de las bacteriocinasde las BAL Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 14
  15. 15. 06/12/2011Criterios que debe cumplir unabacteriocina para su aplicación en un Aplicación en alimentos de bacteriocinas o de las cepas productorasalimento Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. b) PEDIOCINA Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 15
  16. 16. 06/12/2011Actividad antimicrobiana de diversascepas de BAL frente a bacterias patógenasy no patógenas Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 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. Marcela Martínez M.Sc. 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 Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 16
  17. 17. 06/12/2011 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 EnzimasAmilasas MicrobianasHornear 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. Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc.Proteasas ProteasasAblandan 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 Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. piña. 17
  18. 18. 06/12/2011Proteasas Enzimas microbianas y sus aplicacionesHornear 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. Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc.Pectinasas Detergentes biológicos La aplicación más importante de las enzimas hidrolíticasProducción 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. Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 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. Marcela Martínez M.Sc. Marcela Martínez M.Sc. 18
  19. 19. 06/12/2011“Solo una cosa vuelve un sueño imposible: el miedo a fracasar” Marcela Martínez M.Sc. Paulo Coelho 19

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