Aplicación Industrial de Microorganismos

Microbiología II

Los microorganismos utilizados industrialmente

M. F. Guevara

Aplicación Industrial de Microorganismos

Metabolismo

Metabolitos

Primarios

Secundarios

Los microorganismos utilizados industrialmente

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Aplicación Industrial de Microorganismos

Los compuestos de interés

Los mismos microorganismos (biomasa)

Metabolitos primarios y secundarios

Los microorganismos utilizados industrialmente

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Aplicación Industrial de Microorganismos

Manejo de los cultivos Microbiológicos

1. Aislamiento del microorganismo2. Conservación del microorganismo3. Preparación del medio de cultivo en el

que se desarrolla4. Preparación del inóculo5. Escalamiento6. Producción industrial

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Aplicación Industrial de Microorganismos

Manejo de los cultivos Microbiológicos

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Aplicación Industrial de Microorganismos

Técnicas para obtener cultivos puros

Mantenimiento de los microorganismos

ResiembraDesecaciónCongelación Liofilización

Estriado en caja PetriDiluciones en serie

Manejo de los cultivos Microbiológicos

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Manejo de los cultivos Microbiológicos

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Aplicación Industrial de Microorganismos

Requerimientos nutricionales

Agua EnergíaCarbonoNitrógenoMineralesVitaminas

Manejo de los cultivos Microbiológicos

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Aplicación Industrial de Microorganismos

Requerimientos ambientales pH

Temperatura

Medios de Cultivo

SelectivoDiferencial

Sintético o definidoComplejo o natural

Manejo de los cultivos Microbiológicos

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Aplicación Industrial de Microorganismos

La preparación del inóculo La recuperación

de la cepaCantidad del inóculoConcentración del inóculo

Levaduras

Introducción a los hongos Micología

Estudia los hongos filamentosos llamados mohos y los hongos unicelulares llamados levaduras

Los hongos son eucariotasPoseen una pared gruesa semejante a

la pared de las células vegetalesNo son fotosintéticosSon heterótrofos

Saprófitos o parásitos

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Levaduras

Levaduras Se encuentran en la mayoría de las frutas

y de las flores y en los exudados de las plantas

Fermentan azúcares, produciendo CO2 y etanol

Pueden crecer en medios de cultivo que se utilizan para bacteriasMedios con pH bajo (4.5 – 5.5) para

inhibir bacteriasAgares y caldos de extracto de malta o

extracto de levadura. Jugos de fruta o vegetales

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Levaduras

Levaduras Agrupadas en 350 especies, clasificadas

en 39 géneros Muy heterogéneas en su morfología y

fisiología Habitualmente son unicelulares Algunas pueden presentar micelio

Las condiciones ambientales influyen para que los hongos crezcan como filamentos o como levaduras (dimorfismo)

Se encuentran ampliamente distribuidas en la naturaleza La mayoría son saprófitas Otras son parásitas facultativas u obligadas

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Levaduras

Fisiología del Crecimiento y Metabolismo

Son relativamente grandes 1-5 µm x 5 a 30 µm

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Levaduras

Fisiología del Crecimiento y Metabolismo

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Levaduras

Fisiología del Crecimiento y Metabolismo

Reproducción asexual La mayoría se reproducen por gemación y

unas pocas por fisión binaria

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Levaduras

Fisiología del Crecimiento y Metabolismo

Reproducción asexual La mayoría se reproducen por gemación y

unas pocas por fisión binaria

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Levaduras

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Reproducción Sexual

Se da por medio de la formación de esporas sexuales, se unen núcleos compatibles y una división meiótica

Levaduras

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Reproducción Sexual

Levaduras

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Requerimientos Nutricionales

Generalizaciones: Los azúcares constituyen el mejor alimento

energético de las levaduras Nitrógeno: ion amonio (NH4

+) Azufre: sulfato (SO4

-2) Potasio, magnesio, sodio y calcio Boro, cobre, zinc, manganeso, hierro, iodo y

molibdeno

Levaduras

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Requerimientos Nutricionales Uvas, duraznos y bananas contienen

aproximadamente la misma cantidad de fructosa que de glucosa

Manzanas o peras tienen mucha mayor proporción de fructosa que de glucosa

Saccharomyces cerevisiae: La búsqueda de cepas de levadura con mayor

preferencia y tolerancia por fructosa es un objetivo importante para la industria de la fermentación, en general, y especialmente para los enólogos.

Levaduras

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Requerimientos Nutricionales

S. cerevisiae T73 En función de diversas concentraciones de fructosa

Levaduras

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Requerimientos Nutricionales

Levaduras

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Requerimientos Nutricionales

Levaduras

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Requerimientos Nutricionales Klebsiella oxytoca

Se registra crecimiento máximo a 2% de glucosa

Pero sobre este valor decrece linealmente Respuesta similar para Actinobacillus

succinogenes

Levaduras

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Condiciones ambientales requeridas para el crecimiento

Oxígeno Las levaduras crecen bajo condiciones aerobias

Estrictas. Levaduras oxidativas Facultativas. Levaduras fermentativas

pH En general se desarrollan mejor en medios ácidos

Pero pueden tolerar rangos de 2 a 8

Temperatura Generalmente crecen en un rango de 0 a 50ºC

La mayoría de saprófitas tienen temperaturas óptimas entre 22 y 30ºC

Levaduras

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Importancia Económica Tradicionalmente, las levaduras han sido utilizadas en

la industria para la producción de etanol y de dióxido de carbono

Producción de elementos de nutrición humana y animal a partir de desechos industriales: vitaminas, grasas, proteínas Disminuye la contaminación ambiental

La levadura comercial de mayor importancia es S. cerevisiae pues presenta muchas variedades con diferentes características y aplicaciones Cerveza Vino Suplemento alimenticio Enzimas, glicerina y saborizantes

Levaduras

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Importancia Económica Candida utilis

Crece aeróbicamente principalmente en desechos líquidos de la industria del papel

Las células obtenidas se concentran y se secan

Kluyveromyces fragilis y K. lactis son levaduras que pueden utilizar la lactosa

Levaduras

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Importancia Económica Levaduras salvajes

Muchas veces las levaduras se encuentran como contaminantes en la industria de la fermentación Interfieren en el buen rendimiento de los procesos

Provienen de otra fuente que no es el cultivo puro utilizado en las diferentes industrias

Levaduras

Temperatura Solamente unas pocas pueden desarrollar

cerca de 0ºC, entre las que se encuentran Yarrowia lipolytica, Debaryomyces hansenii y Pichia membranaefaciens

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Levaduras

Fisiología del Crecimiento y metabolismo

La mayoría de las levaduras que causan deterioro de alimentos crece a una actividad de agua mínima.

En general las levaduras toleran mejor altas concentraciones de azúcar que de sal. Entre las que prefieren substratos salados se hallan Stephanoascus ciferrii, Debaryomyces hansenii

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Levaduras

Fisiología del Crecimiento y metabolismo

pH Pichia membranaefaciens pueden crecer a

1,3-1,7 si el acidulante es un ácido inorgánico.

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Levaduras

Fisiología del Crecimiento y metabolismo

Las levaduras del género Rhodotorula son especialmente tolerantes a los medios alcalinos

Saccharomycodes no crecen a pH mayor que 8

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Levaduras

Fisiología del Crecimiento y metabolismo

Tipos de Fermentación Fermentación Alcohólica Fermentación Ácido Láctica

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Fermentación

Organismo Producción

Acetobacter  aceti Vinagre

Leuconostoc oenos Vino

Saccharomyces cerevisiae Cerveza

FAO Corporate Document Repository. Basic Principles Of Fermentation

Levaduras del Género Saccharomyces son fermentadores enérgicos de los azúcares pero pronto detienen su crecimiento y multiplicación por falta de oxígeno.

Zygosaccharomyces bailii fermentan glucosa más rápidamente bajo condiciones aerobias que anaerobias

Hexosas y oligosacáridos: fermentados por las levaduras

Pueden asimilar: pentosas, alcoholes, ácidos orgánicos, aminoácidos y glicósidos

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Fermentación

Significados de Fermentación Cualquier proceso que implique el

cultivo en masa de microorganismos Cualquier proceso biológico que se

produzca en ausencia de oxígeno Deterioro de los alimentos Producción de bebidas alcohólicas

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Fermentación

Imagen tomada de Frutos Aragón Imagen tomada de: Brunnen

Levaduras son organismos aerobios Especies fermentadoras Especies NO fermentadoras

Levaduras del Género Saccharomyces son fermentadores enérgicos de los azúcares pero pronto detienen su crecimiento y multiplicación por falta de oxígeno

Z. bailii fermentan glucosa más rápidamente bajo condiciones aerobias que anaerobias

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Levaduras

Fisiología del Crecimiento y metabolismo

Hexosas y oligosacáridos: fermentados por las levaduras

Pueden asimilar: pentosas, alcoholes, ácidos orgánicos, aminoácidos y glicósidos

Las fuentes comunes de nitrógeno son amonio, urea y aminoácidos

Muchas especies sintetizan todas las vitaminas necesarias

Pueden requerir biotina y diferentes compuestos como tiamina y adenina

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Fisiología del Crecimiento y metabolismo

Levaduras

Aceite esencial de ajo Aceites esenciales de cebolla,

orégano y tomillo Cafeína presente en cacao,

café, yerba mate y té

Fisiología del Crecimiento y metabolismo

Algunos Inhibidores naturales

Levaduras

La contaminación por Lactobacillus sp. es la mayor causa de reducción de la formación de etanol por S. cerevisiae en las plantas de producción para combustible, y en las cervecerías Pediococcus sp. es el responsable de sabores desagradables

Fisiología del Crecimiento y metabolismo

Interacciones microbianas

En la producción de salsa de soja, las bacterias lácticas reducen el pH favoreciendo la fermentación por las levaduras

Levaduras

Las levaduras oxidativas como P. membranaefaciens producen niveles inaceptables de acetaldehído, ésteres y ácido acético en vinos

Las especies fermentativas Z.bailii, D. intermedia y S. ludwigii causan una carbonatación excesiva, sedimento, turbiedad, ácidos y ésteres desagradables

Fisiología del Crecimiento y metabolismo

Levaduras

El suelo es el mayor reservorio Aunque están ampliamente distribuidas en la

naturaleza: Hojas Flores Frutos Piel Cuero Plumas Tracto digestivo de animales herbívoros y omnívoros Insectos

Fisiología del Crecimiento y metabolismo

Levaduras

Distribución

Ambientes acuáticos (ríos, lagos y regiones marinas costeras)

Todas aquellas levaduras y organismos levaduriformes que son capaces de constituir y perpetuar poblaciones en el medio marino, o aquellas que se reproducen y crecen preferentemente en el mar, o en condiciones óptimas a las concentraciones normales de sales en el mar, entre 2.4 y 4.0 por ciento de sal de mar (cloruro de sodio). No excluye a las levaduras que también son capaces de ocupar, o aun preferir, nichos ecológicos no marinos.

Origen: Erosión Pueden originarse de la fauna y flora acuática

Fisiología del Crecimiento y metabolismo

Levaduras

Levaduras Marinas

Fisiología del Crecimiento y metabolismo

Levaduras

Levaduras Marinas

Recurso para la producción a gran escala de antibióticos, enzimas, vitaminas y proteína unicelular

Se ha demostrado su potencial como fuente de agentes antivirales, antitumorales, surfactantes (tensoactivos) y polímeros

propiedades atractivas para la industria: Bajas concentraciones de fuentes de carbono El agua de mar favorece su reproducción en

forma selectiva y reduce los riesgos de contaminación

Fisiología del Crecimiento y metabolismo

Levaduras

Levaduras Marinas

En ambientes acuáticos, la mayoría de las levaduras probablemente se encuentran creciendo en condiciones sub-óptimas, y para sobrevivir requieren de sitios de reproducción como sedimentos, detritos o asociarse a organismos acuáticos.

La adhesividad puede ayudarles a colonizar y eventualmente incrementar su población en el intestino de los peces Alta capacidad de colonización Probióticos

Fisiología del Crecimiento y metabolismo

Levaduras

Levaduras Marinas

Enzima superóxido-dismutasa, se ha usado en medicina para controlar los efectos indeseables radioterapia quimioterapia enfermedades inflamatorias reumatismo La levadura marina D. hansenii produce la

enzima superóxido-dismutasa de cobre y cinc acción anti-inflamatoria siendo eficaz frente a

agentes anti-inflamatorios de marca

Fisiología del Crecimiento y metabolismo

Levaduras

Levaduras Marinas

Las levaduras constituyen la causa más probable de alteración de productos como frutas y bebidas sin alcohol contienen azúcares fermentables

Las levaduras comúnmente asociadas con el deterioro de las frutas secas incluye Z. rouxii y especies de los géneros Hanseniaspora, Candida, Debaryomyces y Pichia

Fisiología del Crecimiento y metabolismo

Levaduras

Perjuicios

El deterioro de los jugos de frutas y derivados está influenciado por la presencia de conservantes ácido sórbico, ácido benzoico o dióxido de azufre,

solos o combinados. Z. bailii es tolerante a la acidez y muy resistentes

a los conservantes ácidos Fermenta intensamente la glucosa y fructosa

produciendo dióxido de carbono en tal cantidad que eleva la presión del producto envasado a más de 500 kPa (5 kg/cm2 aprox.) produciendo distorsión de los envases plásticos o estallido de los de vidrio

Fisiología del Crecimiento y metabolismo

Levaduras

Perjuicios

Aplicaciones Industriales

Levaduras

Tolerancia a concentraciones elevadas de etanol (hasta 18% en comparación de 1 a 4% de otras levaduras)

Poder acidificante y tolerancia a pH 3 -4 Inocuidad comprobada Fácil separación del producto Alta productividad Posibilidad de manipulación genética Estabilidad genética

Aplicaciones Industriales

Levaduras

Ventajas tecnológicas de S. cereviciae

Producción de levadura para panadería Aditivos alimenticios agrícolas Complementos nutricionales Extracto de levadura para Microbiología Suministro de levadura para uso

industrial

Aplicaciones Industriales

Levaduras

S. cereviciae como biomasa

Elaboración de vino Elaboración de licores Producción de alcohol industrial Elaboración de cerveza

Saccharomyces cerevisiae var. cerevisiae: levadura de las fermentaciones “ale”, destilerías, panadería, vinatería, alcohol industrial, productos nutricionales.

S. cerevisiae var. uvarum: levadura de las fermentaciones “lager”.

S. cerevisiae var. bayanus: levadura de vinos

S. cerevisiae var. fermentati: producción de jerez

Aplicaciones Industriales

Levaduras

S. cereviciae como fermentadora

En el siglo 12 a.C ya se conocía Las plantas de producción de levadura se crearon en el

siglo 19 (Holanda) Alimentación controlada de azúcar a los mostos en

fermentación materia prima

Granos Reemplazo por melazas de remolacha

Especie Saccharomyces uvarum Saccharomyces cerevisiae Candida, Hansenula y Zygosaccharomyces

Aplicaciones Industriales

Levaduras

Producción de levadura en panificación

Mejoramiento genético Propiedades relacionadas con la producción:

crecimiento rápido altos rendimientos a partir de las melazas poder fermentativo estabilidad del producto

Genes: ciclos de la glicolisis y de los ácidos tricarboxilicos metabolismo del nitrógeno y en la síntesis de

hidratos de carbono de reserva

Aplicaciones Industriales

Levaduras

Producción de levadura en panificación

Mejoramiento genético Las cepas de levadura que han sido

desarrolladas en los últimos años: insulina hormona de crecimiento bovina vacuna contra la hepatitis B

Aplicaciones Industriales

Levaduras

S. cereviciae en Laboratorio