usos benéficos de los microorganismos en alimentos

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Usos benéficos de los

microorganismos en

alimentos

Microorganismos usados en fermentación

Cultivos iniciadores y bacteriófagos

Microbiología y producción de alimentos fermentados

Bacterias benéficas intestinales

Biopreservativos alimenticios de origen microbiano

Ingredientes y enzimas alimenticios de origen

microbiano

Microorganismos

usados en fermentación

Lactobacillus bulgaricus

Productos de la microbiología

IndustrialBioconversión

Producto

(bioconversión

de esteroides)

Sustrato

Productos de las Células

Enzimas

(Glucosa

Isomerasa)

Antibióticos

(Penicilina)

Aditivos

Alimenticios

(aminoácidos)

Alcohol

Productos

Químicos

(ácido cítrico)

Células

Levadura

Bioquímica y Microbiología Industrial 2º de Bioquímica Universidad de Zaragoza

Marcela Martínez M.Sc.

1. Rápido crecimiento debido a la favorable

relación área/volumen

2. Diversidad metabólica

3. Estabilidad genética

4. Crecimiento en gran escala y separación fácil

de productos y sustratos

Ventajas de los microorganismos

como unidades de producción (1)


Ventajas de los microorganismos

como unidades de producción (2)

5. Adaptabilidad a distintos ambientes y condiciones

de crecimiento

6. Incremento de la productividad

7. Facilidad de manipulación genética

8. Modificación de los productos finales

9. Tecnologías limpias


Origen de las cepas

industriales

1. Colecciones de cultivos

2. Cepas nativas

3. Organismos genéticamente

modificados (OGM)


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Requerimientos de los

microorganismos industriales (1)

1. Producir la sustancia de interés

2. Estar disponible en cultivo puro

3. Ser genéticamente estable

4. Crecer en cultivo a gran escala

5. Mantenimiento en cultivos durante un período de

tiempo largo

6. Crecer y producir el compuesto deseado rápidamente Marcela Martínez M.Sc.

7. Crecer en un medio de cultivo líquido y relativamente

barato

8. No ser patógeno

9. Eliminación de las células microbianas del medio de

cultivo con relativa facilidad

10. Ser susceptible de manipulación genética

11. Que sea capaz de sufrir recombinación genética

Requerimientos de los

microorganismos industriales (1)


Colecciones de cultivos que suministran

cultivos de microorganismos industriales

American Type Culture Collection (ATCC)

Centraalbureau voor Schimmelcultures (CBS)

Colección Española de Cultivos Tipo (CECT)

Fungal Genetics Stock Center (FGSC)

Microbial Strain Data Network (MSDN)

Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und

Zellkulturen GmbH (DSM)

Home Pages of Culture Collections in the World Marcela Martínez M.Sc.

Mejora de cepas

1. Selección de variantes naturales

2. Selección de mutantes inducidas

3. Obtención de recombinantes

Ingeniería genética

Modificación deliberada de la información genética de un

organismo cambiando directamente su genoma de ácido

nucleíco. Esto se puede lograr por métodos denominados

Tecnología del ADN Recombinante


Mutación y selección

Hibridización y recombinación

Transformación, conjugación y

transducción (bacterias)

Clonado y expresión de genes

Mejoramiento de cepas de uso

industrial: métodos genéticos


¿Para qué se hace

mejoramiento genético?

Aumentar los rendimientos: debe realizarse en forma

PERMANENTE.

Disminuir o eliminar co-metabolitos indeseables (ej.

pigmentos, otros productos, facilitar la purificación)

Estimular la utilización de fuentes de carbono o

nitrógeno mas baratas (ej. plásticos)

Alterar morfología o funciones para obtener

propiedades deseadas (ej. espuma, pellets, etc) Marcela Martínez M.Sc.

http://www.atcc.org/

http://www.cbs.knaw.nl/www/CBSHOME.html

http://www.uv.es/cect/

http://www.seqnet.dl.ac.uk/research/fgsc/main.html

http://www.outbreak.org/

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Modificación de cepas microbianas

por ingeniería genética

1. Identificación y aislamiento del DNA responsable de

un determinado fenotipo

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 genMarcela Martínez M.Sc.

Cultivos iniciadores y

bacteriófagos

Cultivos iniciadores “starters”

Microorganismos que se

emplean en la

producción de

productos fermentados

sabor, aroma, y producción

de etanol

actividad proteolítica y

lipolítica

inhibición de

microorganismos

indeseables


Los cultivos iniciadores pueden ser

categorizados en mesófilos o termófilos:

• Lactococcus lactis subsp. cremoris

• L. delbrueckii subsp. lactis

• L. lactis subsp. lactis biovar diacetylactis

• Leuconostoc mesenteroides subsp. cremorisMesófilos

• Streptococcus salivarius subsp. thermophilus

• Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus

• L. delbrueckii subsp. lactis

• L. casei

• L. helveticus

• L. plantarum

Termófilos


Requisitos de los cultivos

iniciadores


Las etapas de propagación que deben realizarse

para llegar a la producción comercial de cultivos

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

Carnes

Pediococcus acidilactici

Lactobacillus plantarum

Micrococcus varians

Staphylococcus carnosus

Staphylococcus xylosus.

Lácteos

Lactococcus lactis

Lactococcus cremoris

Streptococcus thermophillus


Lactobacillus casei

Propionibacterium shermani

Vinos Leuconostoc oenos

Panificación Lactobacillus sanfransciscus


Alimentos

funcionales

Lactobacillus acidophilus

Bifidobacterium bifidum

Bifidobacterium longum

Bifidobacterium infantis

Streptococcus thermophilus



Lactobacillus casei subsp. Rhamnosus

Streptococcus faecium


Bacteriófagos

Son virus parásitos

bacterianos

No pueden crecer ni replicarse

sino están dentro de una

célula bacteriana

Atacan y destruyen a la

mayoría de las bacterias

lácticas

Impiden el proceso normal de

maduración o bien tornándolo

lento e ineficiente


Reproducción de los fagos

1. El fago ataca la superficie de su huésped

2. El ADN es inyectado en el interior de la célula

3. La “maquinaria” celular produce ADN y proteínas fágicas

4. Los nuevos fagos se ensamblan en el interior de la célula

5. Los fagos maduros lisan la célula y salen al exteriorMarcela Martínez M.Sc.

Influencia de los fagos sobre

cultivos iniciadores

Los bacteriófagos pueden ser inactivados por

medio de los tratamientos térmicos (63-88 C

por 30 min.), o por el uso de desinfectantes.


Resistencia a los fagos

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


Bacteriófagos benéficos


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Reducción de bacterias

por fagos a diferentes

concentraciones


Microorganismos

objetivo

Listeria monocytogenes

Salmonella

Campylobacter

E. coli


Listeria: tratamiento con fagos

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


Microbiología y producción

de alimentos fermentados

Industria de alimentos

fermentados: pasado y presente

Tradicional

• Pequeña escala (artesanal)

• Medios no estériles

• Abierta

• Exposición significativa a contaminares

• Calidad variable

• Seguridad un asunto secundario

Moderna

• Gran escala (industrial)

• Medios pasteurizados o tratados con calor

• En contenedores

• Mínima exposición a contaminantes

• Calidad constante

• Seguridad un asunto prioritario


Fermentación de alimentos

Procesos en los cuales alimentos crudos son transformados

a alimentos fermentados por el crecimiento y las actividades

metabólicas de microorganismos deseablesMarcela Martínez M.Sc.

http://www.voeding.tno.nl/ProductSheet.cfm?PNR=voe246e

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Alimentos crudos

que se pueden

fermentar

Leche

Carne

Pescado

Vegetales

Frutas

Granos de cereal

Semillas

JudíasMarcela Martínez M.Sc.

Alimentos fermentados

Son aquellos donde los microorganismos provocan

cambios controlados.

Existen mas de 3500 alimentos fermentados

tradicionales.

Europa y América del norte: pan, yogures y queso

África: féculas fermentadas (mandioca)

Asia: derivados de semillas de soja o de pescados fermentados.Marcela Martínez M.Sc.

La fermentación puede ser:

Natural Controlada

población microbiana deseable

presente naturalmente cultivos iniciadores


Propiedades de los alimentos

fermentados

1. Preservación

2. Valor nutritivo

3. Funcionalidad

4. Digestibilidad

5. Características

organolépticas

6. Valor agregado

7. Alimentos únicos


Bacteria usadas en la producción

de alimentos fermentados

Protecobacteria

Bacterias Gram (-) vinagre

Firmicutes

Bacterias acido lácticas

Bacillus

Brevibacterium

Actinobacteria

Bifidobacterium

Kocuria

Staphylococcus

MicrococcusMarcela Martínez M.Sc.

Bacterias ácido lácticas (BAL)

Gram positivas

Fermentativas

Catalasa negativa

Anaerobias facultativas

No formadoras de

esporas

No móviles

Acido tolerantes


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Fermentación láctica

homofermentativa


Grupo homofermentativo


Fermentación láctica

heterofermentativa


Grupo heterofermentativo


Los géneros de 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


Propiedades de los géneros de

BAL


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Lactococcus

Lactococcus lactis

Lactococcus se emplea en la industria

láctea en la manufactura de fermentados

como quesos o yogures.

Puede usarse en cultivos iniciadores de

cepas únicas o en cultivos de distintas

cepas o con otras bacterias ácido lácticas

como Lactobacillus y Streptococcus.Marcela Martínez M.Sc.

Productos lácteos fermentados

con Lactococcus lactis

Product Principal acid producers Secondary microflora

Cheese

Colby, Cheddar,

cottage, cream

Lactococcus lactis ssp. cremoris None

Lactococcus lactis ssp. lactis

BlueLactococcus lactis ssp. cremoris

Citrate+ Lactococcus lactis ssp.

lactis

Penicillium roqueforti


Fermented milk

ButtermilkLactococcus lactis ssp. cremoris

Leuconostoc spp. Citrate+



Sour cream

Lactococcus lactis ssp. cremoris None

Lactococcus lactis ssp. lactis Marcela Martínez M.Sc.

Streptococcus

No móviles

Anaerobios facultativos

Homofermentativos

St. thermophilus

St. Lactis (Leuconostoc)

St. cremoris (Leuconostoc)

Streptococcus thermophilusMarcela Martínez M.Sc.

Leuconostoc


Pediococcus

Pediococcus pentosaceusMarcela Martínez M.Sc.

Lactobacillus

Lactobacillus bulgaricus Marcela Martínez M.Sc.

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Productos cárnicos y BAL empleadas

durante su elaboración

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

Otras bacterias importantes

en fermentación de alimentos

Bacterias Gram (-)

Bacilos productores de ácido

acético por oxidación del etanol.

Aerobias obligadas

Mesófilas 25-30°C

Acetobacter

Gluconacetobacter

Gluconobacter


Bifidobacterium

Bacterias Gram

positivas

Anaeróbicos

No móviles

Con frecuencia

ramificadas

Saprófitas de la flora

intestinalMarcela Martínez M.Sc.

Utilidades de las bifidobaterias

Ayudan en la digestión

Menor incidencia de

alergias

Previenen algunas formas

de crecimiento de

tumores

Algunas bifidobacterias se

usan como probióticos

Marcela Martínez M.Sc. Propionibacterium

Propionibacterium

Bacilos Gram +

Anaerobios o

aerotolerantes

Catalasa + (o variable)

No motiles

Mesófilos y neutrófilos

Producción de Quesos tipo

Suizo


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Brevibacterium

Brevibacterium

Bacilos Gram +

No móviles

No esporulados

Aerobios estrictos

Catalasa +

Mesofilos 20-35°C

B. linens importante en

alimentos fermentados:

quesos maduradosMarcela Martínez M.Sc.

Levaduras

Fermentación de

alimentos y alcohol

Producción de enzimas

para uso en alimentos

Proteína Unicelular

Aditivos para impartir

sabores deseables a

alimentos

Saccharomyces cerevisiae


Mohos

Producción de

alimentos

Producción de aditivos

y enzimas

Aspergillus

Penicillium

Rhizopus

Mucor


Bacterias benéficas

intestinales

Prebióticos

Los prebióticos son

un ingrediente

alimentario no

digerible que

benefician al huésped

estimulando

selectivamente el

crecimiento y /o

actividad de bacterias

en el colon.


Vía metabólica

1. Ingesta de un prebiótico.

2. Los prebióticos no se

digiere en el estómago ni

en el intestino delgado.

3. Es fermentado por la flora

intestinal benéfica.

4. Nutren a las bacterias

benéficas.

5. Se producen AGCC.


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Efecto de las bacterias

benéficas en el colon


Categorías de 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


Estructura de los Prebióticos


Probióticos

“Microorganismos vivos que, al ser ingeridos en

cantidades adecuadas, le confieren beneficios de

salud al anfitrión”

FAO/WHO 2002


Probióticos

Son un suplemento

alimenticio: cultivo puro o

compuesto de

microorganismos vivos.

Están formados por distintas

cepas de bacterias y

levaduras fundamentalmente.

Tienen la capacidad de

instalarse y proliferar en el TGI

y actuar como de promotores

de crecimiento.


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Diferenciación de cepas

- Lactobacillus

- Bifidobacterium

- Streptococcus

- Bacteroides

- Enterococcus

- Bacillus

- Eubacterium

- Sacharomyces*


Composición & Efectos de las Bacterias

Predominantes en el Intestino


Factores que afectan el equilibrio

de la Microflora Intestinal Humana

Enfermedades

Estrés

Cambios en la dieta

Edad

Consumo de antibióticos

Consumo de probióticos


Sistemas de defensa del

intestino


La Flora Gastrointestinal

Efecto de barrera - protección contra

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

alimentos

Deben ser seguros (de grado alimentario)

Adaptarse a un sistema alimentario.

No modificar las características

sensoriales del alimento.


Mecanismo antagonista de las

bacterias ácido lácticas


Aspectos relevantes de las bacteriocinas

de las BAL


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Criterios que debe cumplir una

bacteriocina para su aplicación en un

alimento


Aplicación en alimentos de bacteriocinas o

de las cepas productoras



b) PEDIOCINA



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Actividad antimicrobiana de diversas

cepas de BAL frente a bacterias patógenas

y no patógenas


Ingredientes y enzimas

alimenticios de origen

microbianoCasi todas las

reacciones en células

vivas son catalizadas

y controladas por

enzimas.

Catalizadores

biológicos,

convirtiendo

sustancias en otros

productos sin sufrir

cambio alguno.

Enzimas


Producción de grandes cantidades a

bajo coste

Microorganismos como fuentes de

enzimas

Uso de mutantes y procesos de

selección que aumentan la

producción

Producción de enzimas hechas a

medida a través de ingeniería

genética y diseño de proteínasMarcela Martínez M.Sc.

Microorganismos como fuentes de

enzimas

Enzimas hidrolíticas simples como:

proteasas, amilasas, pectinasas

Degradan polímeros naturales como

proteínas, almidones o pectina

Enzimas extracelulares

Fácil extracción

Bajo coste

Poco específicas


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Amilasas

Almidón

Compuesto de almacenamiento de

energía en plantas (maíz, arroz, patata,

trigo).

Fuente de nutrición muy importante en

animales y humanos (70-80%).

Amilasas

Degradación del polisacárido almidón.

Últimos 20 años las amilasas han reemplazado la hidrólisis ácida.

a-amilasa de Bacillus y glucoamilasa de Aspergillus.

Sacarificación genera mucha dextrosa, degradación de almidón

más corta, sin tratamiento ácido.Marcela Martínez M.Sc.

Amilasas

Producción de Cerveza

Reemplazo de malta por granos sin

germinar de maíz o arroz, prácticamente

no contienen enzimas.

Se añaden enzimas, amilasas,

glucanasas y proteasas, de hongos y

bacterias.

Almidón a azúcares que sufren

fermentación alcohólica por levaduras.


Amilasas

Hornear pan

El uso de enzimas en panadería se

ha vuelto popular.

Las amilasas aceleran la

degradación del almidón, y así

aumenta el contenido de azúcar en

la masa, acelerando el proceso de

fermentación.

El volumen del pan preparado con

enzimas aumenta.


Enzima Fuente Aplicación industrial Industria

Proteasa Hongos Pan Panadera

Bacterias Eliminación de manchas Limpieza en seco

Bacterias Ablandador de la carne Cárnica

Bacterias Limpieza de las heridas Medicina

Bacterias Eliminación de revestimientos Textil

Bacterias Detergente doméstico Lavandería

Aplicaciones de las Enzimas

Microbianas


Proteasas

Ablandan la carne

La papaya contiene altas

concentraciones de las proteasas

papaina y quimiopapaina.

Degradan el tejido conectivo de la

carne, como el colágeno y la elastina,

haciéndola más tierna.


Proteasas

Ablandan la carne

Se usan toneladas de papaina en polvo cada año para

ablandar la carne en muchos países.

Ficina del árbol de higos y bromelaina de la planta de

piña.

Se frota la carne y se deja a temperatura ambiente

varias horas.


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Proteasas

Hornear pan

El gluten se degrada por proteasas

obtenidas de hongos para hacer la

masa más fácil de manejar y aumenta

su capacidad para retener burbujas

de aire.

El gluten se une parcialmente al agua

y tiene consistencia de gel.

Las proteasas degradan las proteínas

pegajosas (gluten) en la masa.


Enzimas microbianas y sus aplicaciones

Enzima Fuente Aplicación industrial Industria

Invertasa Levadura Relleno de caramelos Confitería

Glucosa Oxidasa Hongos Eliminación de glucosa y oxígeno,

papeles para pruebas de la

diabetes

Alimentaria

Farmacéutica

Glucosa Isomerasa Bacterias Jarabe de cereales rico en glucosa Bebidas refrescantes

Pectinasa Hongos Prensado, clarificación del vino Zumos de frutas

Renina Hongos Coagulación de la leche Quesera

Celulasa Bacterias Suavizante y abrillantador de

tejidos; detergente

Lavandería

Lipasa Hongos Degradar la grasa Lechería, lavandería

Lactasa Hongos Degradar la lactosa a glucosa y

galactosa

Lechería, alimentos

DNA polimerasa Bacterias;

Archea

Replicación del DNA por PCR Investigación biológica

y forense.


Pectinasas

Producción de zumo de frutasAl prensar fruta y vegetales para la

obtención de jugo, las pectinas de alto

peso molecular reducen la producción.

Se pica la fruta y se añaden pectinasas

para degradar las pectinas de larga

cadena.

Pectinasas procedentes de cultivos

sumergidos de Aspergillus y Rhizopus.

Se reduce la viscosidad del zumo,

facilitando la filtración y se obtiene más

cantidad.

Alimentación de bebés, las pectinasas

maceran las fruta y los vegetales para

hacerlos más suaves y fáciles de comer.Marcela Martínez M.Sc.

Detergentes biológicosLa aplicación más importante de las enzimas hidrolíticas

+ Las manchas que contienen proteínas son

difíciles de remover. Proteínas no se disuelven

fácilmente en agua.

+ A altas temperaturas, la proteína se cuaja en

las fibras textiles y es más difícil de eliminar.

+ Polvo, hollín y materia orgánica como

grasas, proteínas, carbohidratos y pigmentos.

Las grasas y las proteínas actúan como

pegamento.

+ Los detergentes sueltan la grasa de la tela,

las proteínas permanecen en el material.



Descubrimiento de la subtilisina de Bacillus

lincheniformis.

Producción a gran escala de detergentes biológicos

1960.

Enzimas pancreáticas poco estables y muy caras.

Activa bajo condiciones alcalinas.



Poca especificidad. Omnívoros.

Proteasas 1:50, actividad óptima

durante el proceso de lavado.

Detergentes biológicos usados

ampliamente, desde mediados 1960.

Degradan proteínas pegadas en

aminoácidos y péptidos de cadena

corta.

Las proteínas son desprendidas de

las fibras textiles y eliminadas.Marcela Martínez M.Sc.

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“Solo una cosa vuelve un sueño imposible: el miedo a

fracasar”

Paulo CoelhoMarcela Martínez M.Sc.

usos benéficos de los microorganismos en alimentos

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