Universidad Dr. José Matías Delgado FACULTAD DE AGRICULTURA E INVESTIGACIÓN AGRÍCOLA “ JULIA HILL DE O‘ SULLIVAN “
Nombre de la Materia: Introducción a la Biotecnología Lic. Sonia Edith Solórzano
Unidad 5. La Biotecnología en la Industria Alimenticia Contenido: 1. Técnica de asepsia 2. Uso de la campana o cabina de flujo laminar 3. Procesos fermentativos 3.1 Cultivo de células 3.2 Organismos organotróficos 3.3 Cepas bacterianas y fúngicas 3.4 Bioreactores 4. Fermentación 4.1 Lactosa 4.2 Embutidos 4.3 Levaduras 4.4 Hidrólisis del almidón 5. Uso como aditivos en alimentos 5.1 Producción de enzimas 5.2 Ácidos orgánicos 5.3 Aminoácidos 5.4 Vitaminas 5.5 Productos bajos en calorías 5.6 Sabores y pigmentos 5.7 Proteína celular
La fermentación es un proceso biológico o bioproceso que consiste en la descomposición de la materia orgánica por microorganismos fermentadores como bacterias y hongos Hace uso de la acción controlada de microorganismos seleccionados para modificar la textura de los alimentos, conservarlos o producir ácidos o alcohol y desarrollar en ellos aromas y sabores que aumenten su calidad y valor nutritivo. El efecto conservador se puede complementar con refrigeración, pasteurización o envasado. Ventajas Condiciones suaves de operación (pH y T) Obtención de texturas y aromas imposibles de obtener de otro modo Bajos gastos de instalación y funcionamiento (Bajo consumo energético) Tecnología relativamente sencilla
Principales factores de proceso Disponibilidad de nutrientes, especialmente C y N pH del sustrato Temperatura de incubación Potencial de oxidación-reducción Fase de crecimiento del microorganismo Presencia de microorganismos competidores Fermentaciones alimentarias: Clasificación 1.En función de los cambios provocados en los carbohidratos de ciertos sustratos: a)ácidos orgánicos b)etanol y CO2 2.En función de los microorganismos: a)Homofermentativos b)Heteroferementativos
Principales fermentaciones en la industria alimentaria Fermentaciones lácticas • Productos cárnicos y derivados del pescado • Verduras • Productos lácteos Fermentaciones etanólicas • Pan • Bebidas alcohólicas Fermentaciones ácido-alcohólicas • Vinagre, ácidos alimentarios • Café, cacao • Derivados de la soja
Producto fermentado
Producto inicial
Microorganismo principal de la fermentación
Derivados lácteos Queso Yogur
Leche Leche
Lactobacillus sp. (etapas iniciales) Sterptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus Lactobacillus sp., Saccharomyces sp. Lactobacillus lactis, Leuconostoc cremoris
Kefir Nata ácida Verduras Pickles
Leche
Col ácida (Sauerkraut)
col
Bebidas y otros líquidos Café
Granos de café
Cerveza
Pepino
Pediococcus cerevisiae Lactobacillus plantarum Leuconostoc mesenteroides Lactobacillus plantarum Erwinia dissolvens Saccharomyces sp Saccharomyces carlsbergensis
vino Sake
Grano de cebada malteado Uvas Arroz
Salsa de soja
Semillas de soja
Vinagre Otros alimentos Pan Jamón curado Embutidos
Etanol (vino)
Acetobacter orleanensis
Harina de trigo Cerdo Cerdo, vaca
Saccharomyces cerevisiae Aspergillus, Penicillum sp. Pediococcus cerevisiae
Saccharomyces ellipsoideus Aspergillus oryzae Saccharomyces sake Aspergillus oryzae, Saccharomyces rouxii Lactobacillus delbrueckii
Efecto de la fermentación sobre los alimentos: Apenas hay efectos sobre el valor nutritivo Textura: Reblandecimientos (cambios en proteínas y carbohidratos) Aroma y sabor: disminución del dulzor y aumento de la acidez (transformación de azucares en ácidos orgánicos) incremento en el contenido de sal, adicionada para dirigir la fermentación (pepinillos, salsa de soja) reducción del amargor Color: Con frecuencia no hay cambios: Adición de compuestos químicos cambios enzimáticos experimentados por los pigmentos (degradación de clorofila) desarrollo de pigmentos de color marrón debidos a la acción proteolítica producción de pigmentos por los microorganismos
Procesos de fermentación en alimentos: – Naturales o espontáneas (fermentación del cacao, ensilado, pozol). – Inoculadas ( vino, yogurt, tempeh). Procesos de fermentación en medios de cultivo: – Producción de biomasa (proteína unicelular, levadura de pan, levadura de cerveza). – Obtención de metabolitos primarios (alcohol, ácidos orgánicos) y secundarios (enzimas, polisacáridos).
TIPOS DE FERMENTACIÓN DE VARIOS MICROORGANISMOS: Fermentación Productos Organismos Alcohólica Etanol + CO2 Levadura(Sccharomyces) Ácido láctico Ác. láctico Bacterias del ácido láctico Ácido mixto Ác. láctico,acético,etanol, CO2, H2 Bacterias entéricas(Escherichia, salmonella) butanediol Butanediol, ác. láctico, acético, etanol, CO2, H2 Bacterias entéricas(Aerobacter, Serratia) Ácido buritico Ác. burítico, acético, CO2, H2 Clostridios(Clostridium butyricum) Acetona- butanol Acetona, butanol, etanol Clostridios(Clostridium acetobutylicum) Ácido propiónico Ác. propiónico Levadura(Sccharomyces)
Fermentaci贸n et铆lica: Se transforman los az煤cares de las uva en etanol, debido a la acci贸n de las levaduras.
Fermentaci贸n l谩ctica:
3.1 Cultivo de células Las bacterias son microorganismos procarioticos que presentan un tamaño de unos pocos micrómetros (por lo general entre 0,5 y 5 μm de longitud) y diversas formas incluyendo filamentos, esferas (cocos), barras (bacilos), sacacorchos (vibrios) y hélices (espirilos). Las bacterias son Células, procariotas por lo que a diferencia de las células eucarioticas (de animales, plantas, hongos, etc.), no tienen el núcleo definido ni presentan, en general, orgánulos membranosos internos, poseen una pared celular y ésta se compone de peptidoglicano. Muchas bacterias disponen de flagelos o de otros sistemas de desplazamiento y son móviles. La presencia frecuente de pared de pépticoglicano junto con su composición en lípidos de membrana son la principal diferencia que presentan frente a las arqueas, el otro importante grupo de microorganismos procariotas. En la industria, las bacterias son importantes en procesos tales como el tratamiento de aguas residuales, en la producción de mantequilla, queso, vinagre, yogur, etc.,
Uso de las bacterias en la tecnología y la industria Muchas industrias dependen en parte o enteramente de la acción bacteriana. Gran cantidad de sustancias químicas importantes como alcohol etílico, acido acético, alcohol butírico y acetona son producidas por bacterias específicas. También se emplean bacterias para el curado de tabaco, el curtido de cueros, caucho, algodón, etc. Las bacterias (a menudo Lactobacillus ) junto con levaduras y mohos, se han utilizado durante miles de años para la preparación de alimentos fermentados tales como queso, mantequilla, encurtidos, salsa de soya,vinagre, vino y yogur
3.2 Organismos organotróficos
La clasificación nutricional de un organismo se realiza según tres criterios importantes: el origen del carbono, la fuente de energía y los donadores de electrones: 1.Fuente de energía: Se refiere al método empleado por el organismo para producir ATP, que se requiere para aprovisionar de combustible los caminos anabólico de biosíntesis de los componentes de la célula. •Un organismo es fotoautotrofo cuando utiliza luz como fuente de energía •Un organismo es quimioautotrofo cuando obtiene la energía de reacciones con compuestos químicos. 2.Fuente del carbono: Se refiere a la fuente del carbono usada por el organismo para su crecimiento y desarrollo. •Un organismo se denomina heterótrofo si usa compuestos orgánicos procedente de otros organismos •Un organismo se denomina autotrofo si su fuente del carbono es el dióxido de carbono (CO2).
3.2 Organismos organotróficos
3.Fuente reductora o donador de electrones: Se refiere a los compuestos donadores de electrones que se utilizarán en la biosíntesis, en forma de NADH o NADPH •Un organismo es organotrofo cuando utiliza compuestos organicos como fuente de electrones. Los organismos organotrofos son a menudo también heterótrofos, si usan compuestos orgánicos como fuente de electrones y de carbono al mismo tiempo. •Un organismo es litotrofo cuando utiliza compuestos inorgánicos. Así, los organismos litotrofos son a menudo también autótrofos, con fuentes inorgánicas de electrones y dióxido de carbono como fuente inorgánica del carbono.
Clasificación: Fuente de energía Luz Foto-
Fuente reductora
Fuente del carbono Nombre
Orgánico -organo-
Orgánico -heterótrofo Dióxido de carbono -autótrofo Orgánico -heterótrofo Dióxido de carbono -autótrofo Orgánico -heterótrofo Dióxido de carbono -autótrofo Orgánico -heterótrofo Dióxido de carbono -autótrofo
Inorgánico -lito-
Compuestos químicos Quimio-
Orgánico -organo-
Inorgánico -lito-
Fotoorganoheterótrofo Fotoorganoautótrofo Fotolitoheterótrofo Fotolitoautótrofo Quimioorganoheterótrofo Quimioorganoautótrofo Quimiolitoheterótrofo Quimiolitoautótrofo
3.3 Cepas bacterianas y fúngicas Cepa es, en microbiología, una variante fenotípica de una especie o, incluso, de un taxon inferior, usualmente propagada clonalmente, debido al interés en la conservación de sus cualidades definitorias. De una manera más básica puede definirse como un conjunto de especies bacterianas que comparten, al menos, una característica. Existen sociedades científicas, las colecciones de cultivo tipo, que almacenan una gran diversidad de microorganismos y que los difunden a petición de los investigadores; en dichas colecciones, la atribución taxonómica de cada clon está perfectamente asegurada hasta el nivel de cepa.
3.3 Cepas bacterianas y fúngicas
Agrupaciones ERAM1 Las cepas se pueden agrupar según sus características comunes: •biovar o biotipo, son aquellas cepas que tienen características bioquímicas y fisiológicas especiales. •morfovar o morfotipo, con morfología específica. •serovar o serotipo, con características antigénicas específicas. •patovar o patotipo, con propiedades patógenas para ciertos hospedadores. •fagovar o fagotipo, con especificidad para lisar ciertos bacteriófagos
3.4 Bioreactores Un biorreactor es por tanto un dispositivo biotecnológico que debe proveer internamente un ambiente controlado que garantice y maximice la producción y el crecimiento de un cultivo vivo; esa es la parte biológica. Externamente el biorreactor es la frontera que protege ese cultivo del ambiente externo: contaminado y no controlado. El biorreactor debe por tanto suministrar los controles necesarios para que la operación o proceso (bioproceso) se lleve a cabo con economía, alto rendimiento (productividad) y en el menor tiempo posible; esa es la parte tecnológica. En algunos casos, un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso químico que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos. Este proceso puede ser aerobico o anaeróbico Los biorreactores son comúnmente cilíndricos, variando en tamaño desde algunos mililitros hasta metros cúbicos y son usualmente fabricados en acero inoxidable. En términos generales, un biorreactor busca mantener ciertas condiciones ambientales propicias (Ph , temperatura, concentración de oxigeno, etcétera) al organismo o sustancia química que se cultiva.
3.4 Bioreactores En función de los flujos de entrada y salida, la operación de un biorreactor puede ser de tres modos distintos: 1.Lote - batch 2.Lote alimentado - fed-batch 3.Continuo o quimiostato Diseño de biorreactores Los microrganismos o células son capaces de realizar su función deseada con gran eficiencia bajo condiciones óptimas. Las condiciones ambientales de un biorreactor tales como flujo de gases (por ejemplo, oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, etc.), temperatura, pH, oxigeno disuelto y velocidad de agitación o circulación, deben ser cuidadosamente monitoreadas y controladas. Se requiere de un intercambiador de calor para mantener el bioproceso a temperatura constante. La fermentación biológica es una fuente importante de calor, por lo que en la mayor parte de los casos, los biorreactores requieren de agua de enfriamiento.
En un proceso de aeróbico, la transferencia óptima de oxígeno es tal vez la tarea más difícil de lograr. El oxígeno se disuelve poco en agua (y aún menos en caldos fermentados) y es relativamente escaso en el aire (20,8 %). La transferencia de oxígeno usualmente se facilita por la agitación que se requiere también para mezclar los nutrientes y mantener la fermentación homogénea. Sin embargo, existen límites para la velocidad de agitación, debidos tanto al alto consumo de energía (que es proporcional al cubo de la velocidad del motor) como al daño ocasionado a los organismos debido a un esfuerzo de corte excesivo. Los biorreactores industriales usualmente emplean bacterias u otros organismos simples que pueden resistir la fuerza de agitación. También son fáciles de mantener ya que requieren sólo soluciones simples de nutrientes y pueden crecer a grandes velocidades.
Cultivos y fermentaciones Lo primero que hay que entender en el diseño de reactores biológicos es que contrario a los químicos, su cinética no está determinada exclusivamente por la velocidad de reacción y las variables que la determinan. Aunque se puede describir de manera similar a la química, la cinética biológica también depende de características intrínsecas del organismo o cultivo tales como crecimiento y tasa de división celular, así como del tipo de operación que se lleve a cabo. Por eso, lo primero que se define en el diseño de un biorreactor es el propósito de utilización; es decir, qué tipo de cultivo se va a utilizar, el modo de operar y/o el proceso de cultivo.
Cultivos y fermentaciones El conjunto biorreactor-sistema de cultivo debe cumplir con los siguientes objetivos: 1.Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo. 2.Mantener constante y homogénea la temperatura. 3.Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes. 4.Prevenir la sedimentación y la floculación. 5.Permitir la difusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo. 6.Mantener el cultivo puro. 7.Mantener un ambiente aséptico. 8.Maximizar el rendimiento y la producción. 9.Minimizar el gasto y los costos de producción. 10.Reducir al máximo el tiempo.
Clasificación operativa de los biorreactores Los biorreactores como fermentadores se clasifican primeramente de acuerdo al modo de operación: discontinuo, semicontinuo, continuo, esta es una clasificación operativa y se aplica a cualquier reactor, sea químico o biológico (biorreactor). En los reactores biológicos el modo de operación define el sistema de cultivo que es el mismo y delimita la clasificación procesal-productiva del bioproceso (cultivo). Al operar un biorreactor en una determinada categoría (discontinuo, semicontinuo, continuo), automáticamente queda determinado el modo de cultivo del sistema y se definen los parámetros y las características operativas y de diseño que intervienen en el proceso productivo del sistema.
Atentamente: Sonia Sol贸rzano sonia.solorzano@gmail.com