Fermentaciones en Alimentos
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FERMENTACIONES ENFERMENTACIONES ENFERMENTACIONES ENFERMENTACIONES EN
ALIMENTOSALIMENTOSALIMENTOSALIMENTOS
TECNOLOGIA DE ALIMENTOS II
Semestre 2013-I
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Fermentación de alimentos
• Es la acción controlada de microorganismos seleccionados para
modificar la textura, permitir conservar y producir ácido o
alcohol en diferentes tipos de alimentos.
• Se desarrollan delicados aromas o bouquets que aumentan lacalidad y el valor nutritivo.
• La inmensa mayoría de los productos fermentados son
producidos por la actividad de bacterias ácido lácticas, de
hongos, de levaduras y en menor medida, por mohos.
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Bioquímica de la Fermentación de Alimentos
Azúcares Ácidos Alcoholes, Aldehídos Azúcares Ácidos Alcoholes, Aldehídos
Proteínas Amino ácidos Alcoholes, Aldehídos
Lípidos Ácidos Grasos libres Cetonas
Proteínas Amino ácidos Alcoholes, Aldehídos
Lípidos Ácidos Grasos libres Cetonas
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Bioquímica de los procesosBioquímica de los procesosfermentativosfermentativos
Los cambios provocados por lo microorganismos en
los carbohidratos de un sustrato determinado, puedeutilizarse para establecer un clasificación entre losdistintos tipos de fermentaciones:
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Las principales fermentaciones alimentariasindustriales son la alcohólica y la láctica.
Las fermentaciones homofermentativas seproducen según el ciclo de Embden
Meyerhoff-Parnas.
Las fermentaciones heterofermentativas
siguen el ciclo de las hexosa monofosfato.
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FERMENTACION HOMOLACTICA
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FERMENTACION HETEROLACTICA
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Lo constituyen una especie o combinación de especiesmicrobianas que una vez adicionados a un producto originanun conjunto de transformaciones en los componentes básicos
(glúcidos–proteínas–lípidos) con un resultado final que semanifiesta en el cambio de la textura, color y flavor del
producto final.
Incrementan el poder de conservación y en ocasionesaportan efectos benéficos para la salud delconsumidor(probióticos).
Los microorganismos empleados como cultivos estárterpueden ser bacterias, levaduras y mohos individualmente ouna mezcla de ellos (bacteria-bacteria; bacteria-levadura;
bacteria-moho; moho-moho; moho-levadura; levadura-
levadura).
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PRINCIPIO DEL PROCESO DE INTERACCION MATERIA PRIMA-CULTIVO ESTARTER-NUEVO PRODUCTO
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Principio Fundamental de laPrincipio Fundamental de la
Conservación porConservación porFermentaciónFermentación
Estimular el crecimiento y el metabolismo delos microorganismos productores de alcoholes
,de los tipos proteolíticos o lipídicos.
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Ventajas de fabricación de lasVentajas de fabricación de lasfermentaciones en alimentosfermentaciones en alimentos
1.Utilización de pH’s y temperaturas que no alteran y confrecuencia mejoran el valor nutritivo y las característicasorganolépticas de los alimentos.
2.Se obtienen alimentos con aromas y texturas que no
pue en ser o ten as por otros proce m entos.3.Hace uso de un bajo consumo energético por lasespeciales condiciones de su proceso de elaboración.
4.Los gastos de instalación y de funcionamiento sonrelativamente bajos.5.La tecnología empleada es relativamente sencilla.
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Factores que controlan el crecimientoFactores que controlan el crecimientomicrobiano en las fermentacionesmicrobiano en las fermentaciones
alimentarias.alimentarias.
1.La disponibilidad de carbono y nitrógeno, así como denutrientes específicos (para el crecimiento de algunosmicroorganismos).
. .3.La temperatura de incubación.4.El contenido de agua.5.El potencial de óxido-reducción.
6.La fase de crecimiento microbiano.7.La presencia de otros microorganismos competidores.
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Factores que controlan el crecimientoFactores que controlan el crecimientomicrobiano en las fermentacionesmicrobiano en las fermentaciones
alimentarias.alimentarias.
Temperatura
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RELACIÓN TEMPERATURARELACIÓN TEMPERATURA--VELOCIDAD DE CRECIMIENTO VELOCIDAD DE CRECIMIENTO
(Ecuación de(Ecuación de Arrhenius Arrhenius))
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Sistemas de fermentaciónSistemas de fermentación
El crecimiento celular durante la fase logarítmica (o exponencial) se produce a unavelocidad constante. La máxima velocidad de crecimiento µ máx se produce en la faselogarítmica. Al cabo de un tiempo, la velocidad de crecimiento celular decae debido al
agotamiento de los nutrientes del medio y/o la acumulación de metabolitos.
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CULTIVO CONTINUO
En aquellos cultivos discontinuos en los que el crecimiento celular se halla limitado por laconcentración de sustrato, su productividad puede aumentarse si a éste se añade de formacontinua al fermentador al propio tiempo que se extrae del mismo, a igual velocidad, labiomasa producida o los productos sintetizados. Este tipo de funcionamiento permitemantener a las células en constante fase de crecimiento logarítmico.
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Microorganismos Usados enFermentaciones de Alimentos
• Bacterias productoras de ácido láctico LAB Homofermentativas LAB Heterofermentativas
Saccharomyces cerevisiae
• Microorganismos productores de flavor Bacterias, levaduras, mohos
• Bacterias productoras de ácido acético Acetobacter aceti, Gluconobacter.
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Bacterias productoras de ácido
lácticoLAB Homofermentativas
• Glicólisis anaerobia de la glucosa• Glucosa 2 Piruvato 2 Lactato• .
glucosa (~90% conversión)• Rendimiento neto de energía: 2 mol ATP/mol
glucosa• Lactococcus, Streptococcus ,• Pediococcus, Lactobacillus (algunos)
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LAB heterofermentativas• Ruta monofosfato o pentosafosfato • Glucosa ácido láctico(~50%) + Etanol +CO 2
• También puede formar acetato
•
• Leuconostoc, Lactobacillus (algunos)
• Algunos Lactobacillus heterofermentativos
Rutas bioquímicas alternativas para obtener energía f ermentación de Arginina Fuerza motora de protones
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Saccharo: azúcar , myces: hongo
Se encuentra naturalmente en uvas y otros frutos
Levaduras productoras de etanol
Muchas cepas se encuentran disponibles comercialmente Metabolismo Aeróbico o anaeróbico
El alcohol es producido anaeróbicamente
Glucosa Etanol CO2
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Bacterias productoras de ácido acético
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BIOREACTORES
DISCONTINUOS CONTINUOS
Régimen de floculación
SEMICONTINUOS
Régimen de las capas
CLASIFICACION DE BIOREACTORES DESDE EL PUNTO DE VISTA TECNICO
DE LAS REACCIONES
Tipo de cubaagitadora
Cuba agitadorasimple
Columna deburbujeoReactor de airecomprimidoReactor decirculación enbucles
Tipo reactortubular
Reactor tubularsimple
Reactor encascadaReactor en torreColumna defondo perforado
Tipo de cubaagitadora
Reactor de lechofluidizado
Reactor encascadaReactor en torreColumna defondo perforado
Tipo reactortubular
Columna defiltro por goteo
Reactor depelícula en capafina
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CLASIFICACION DE LASCLASIFICACION DE LASFERMENTACIONESFERMENTACIONES
ALIMENTARIAS ALIMENTARIASa.a. Fermentaciones alcohólicas o etanólicasFermentaciones alcohólicas o etanólicas
b.b. Fermentaciones ácidoFermentaciones ácido--alcohólicasalcohólicasc.c. Fermentaciones ácido lácticas o lácticasFermentaciones ácido lácticas o lácticas
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a.a.Fermentaciones alcohólicas oFermentaciones alcohólicas oetanólicasetanólicas
El etanol, es el producto principal en la mayor parte de éstas
fermentaciones y responsable de la conservabilidad
Sin embargo en la fermentación de la masa panaria el producto
principal de la misma es el anhídrido carbónico, que es necesario
para el desarrollo de la típica textura del pan.
Aunque las fermentaciones alcohólicas son en gran medida
anaerobias, las levaduras necesitan algo de oxígeno para
sintetizar algunos esteroles y ácidos grasos insaturados
componentes de la membrana.
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Productos obtenidos por fermentacionesProductos obtenidos por fermentacionesalcohólicas o etanólicasalcohólicas o etanólicas
PANLa fermentación y el horneado de la harina modifican el aroma y latexturaMisión de la fermentación: producir anhídrido carbónico para que “suba” y se acondicione a la masa
temperatura interna de la masa en la cocción alcanza los 43 CLevaduras mueren cuando la cocción alcanza los 54 C A los 74 C las estructura del gluten atrapa en la masa el gascarbónico
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CERVEZA
El mosto se elabora hirviendo grano malteado (cebada)para liberar la maltosa y otros azúcaresSe utilizan fermentadores cilíndricos de fondo cónico,permiten controlar la temperatura, facilitar la limpieza yacorta el tiempo de fermentación por la agitación dellí uido el anhídrido carbónico se va liberando.
El acúmulo de levaduras, las distintas cepas de levadurasutilizables, la distinta composición del mosto y lasmodificaciones en el tiempo de fermentación y en losparámetros de la misma es lo que permite obtener una
gama tan diversa de tipos de cervezas.
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VINO
Es el producto obtenido por la fermentación alcohólicanormal del zumo de uvas sanas o de otros productosagrícolas que contienen azúcar natural o agregado. Elazúcar se agrega para hacer un vino acabado con 11-13% de alcohol.
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VINOS DE FRUTA VINOS DE FRUTA
Un vino de frutas se obtiene por la fermentación de los azúcares
contenidos en el mosto que se transforman en alcohol,
principalmente, junto con otros compuestos orgánicos.Esta fermentación alcohólica se lleva a cabo por la mediación de
las levaduras (microorganismos que se encuentran en la superficie
de las frutas o son agregadas) que en la ausencia de oxígenometabolizan los azúcares en alcohol y gas carbónico.
Dos de los factores que determinan que estos microorganismos
puedan desarrollarse en un determinado jugo de frutas: la acidezy el contenido de azúcar.
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La primera es determinante para las funciones básicas de las levaduras,
llegando a mostrar un óptimo crecimiento cuando el medio posee un valor
cercano al 0.55%
El contenido de azúcar, por otro lado, determina la cantidad final de alcohol
que se habrá producido por fermentación y que, al ejercer una acción
antiséptica, limitará la población de levaduras. Esta concentración límite de
alcohol está entre 12 y 14% para la mayoría de las levaduras la cual se alcanza
partiendo de un contenido inicial de azúcar de 20-22%.El jugo de uva, precisamente, tiene en promedio estos valores de acidez y
dulzor lo que hace ideal para la fermentación alcohólica, de ahí que haya sido
empleada durante siglos en la elaboración del vino.
Entonces tenemos que la relación azúcar/acidez de la uva puede servir de
referencia para saber si una fruta cualquiera tiene la posibilidad de ser
sometida a fermentación con fines enológicos.
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Una cuantificación de esta posibilidad es el Índice de Factibilidad
Enológica (IFE) , el cual mide, desde el punto de vista de la fermentación,
el grado de similitud de una fruta con respecto a la uva. Este índice viene
dado por la expresión:
IFE= (%Az + %Ac) 36
on e z es e porcen a e e az car e a ru a, c e porcen a e e
acidez total. El valor de 36 viene dado considerando que la relación
azúcar/acidez de la uva es la óptima para el proceso de la fermentación
alcohólica: %Az de la uva/%Ac de la uva = 36
Según esto, mientras más cerca esté el IFE de una fruta del valor 740,
mayor será su similitud con la uva (desde el punto de vista de su
fermentación).
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CHICHA DE JORA
El maíz se remoja entre 12 a 14 horasLuego se germina entre 8 a 15 días en la sierra.En la costa se emplea capas de arena de 2 a 3 cm de
altura, se riega, cubre con arena y hojas de plátano ycapa de arena por 4 díasLuego se seca al sol.El maíz germinado posee diversas enzimas: citasa,diastasas, amilasas, proteasas.Entre los microorganismos responsables de lafermentación: levaduras nativas como Saccharomyces
cereviseae, S. tropicalis, S. exigenes. S. famata; Bacillus cereus, B. subtilus, Lactobacillus pasteurianus
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b. Fermentaciones ácidob. Fermentaciones ácido--alcohólicasalcohólicasProductos obtenidos por fermentacionesProductos obtenidos por fermentaciones
ácidoácido--alcohólicasalcohólicas
Primera fase: Fermentación alcohólica por la levadurasSegunda fase: fermentación etanólica, Acetobacter aceti,oxida el etanol a ácido acético y diversos compuestos
aromáticos, se suministra aire adecuado.
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Durante la maduración del vinagre se producenreacciones diversas entre el fenol residual y el ácidoacético, que dan lugar a la formación de acetato de etilo,
que es el responsable del bouquet.
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CACAO Y CAFE
Fermentación de semillas de cacao y café permiten la eliminacióndel material mucilaginoso que las rodeaLuego del secado y el tueste, las semillas mejoran su aspecto y suscaracterísticas organolépticas
En las primeras fases de la fermentación actúan levaduras como S.ellipsoideus, S. apiculata y Hansenula, Kloeckera, Debaromyces,Schizosaccharomyces y Candida Luego, en condiciones anaeróbicas predominan las bacterias lácticasque provocan una acidificaci n
Se elimina parte de la pulpa y el aire penetra en la masa delproducto en fermentaciónEl etanol es oxidado a ácido acético por las bacterias, latemperatura llega a los 50 C, originando la aniquilación de las
levadurasDespués el producto se deseca y se tuesta con objeto de favorecerel desarrollo del bouquet y aroma
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PRODUCTOS DERIVADOS DE LA SOYA
La pasta de soya y productos semejantes se fabricanmediante un proceso fermentativo de dos fasescultivando una o más especies de hongos en una mezclaa partes iguales de semillas de soya y cerealestriturados.Las roteasas ∞-amilasas la invertasa fún ica
transforman la semilla de soya en sustrato para unasegunda fase fermentativa.La mezcla prefermentada se traslada a una salmuera ysu temperatura se eleva paulatinamente.
El medio se acidifica por Pediococcus soyae causando undescenso de pH hasta 5.0.
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PRODUCTOS DERIVADOS DE LA SOYALuego se inicia una fermentación alcohólica por S. rouxii .Finalmente la temperatura se restablece gradualmente a
su valor inicial (15 C)El desarrollo del bouquet característico de la salsa desoya se completa después de 3 años.
, ,
embotella.El producto tiene una concentración final de 2.5% deetanol y 18% de sal.
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c. Fermentaciones ácido lácticas oc. Fermentaciones ácido lácticas o
lácticaslácticas
La secuencia en la que las bacterias lácticas intervienen
en la fermentación viene determinada principalmentepor su tolerancia al pH.Por ejemplo, en la leche, cuando la concentración de
ácido láctico alcanza 0.7-1.0% se inhibe el crecimientode Streptococcus liquefaciens, Streptococcus lactis y Streptococcus cremoris . Luego aparecen otras especiesque soportan mejor el pH, como Lactobacillus casei (1.5-
2% de ácido) y Lactobacillus bulgaricus (2.5-3%).En productos vegetales, los lactobacilos tienen mayorpoder acidificante que los estreptococos.
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Los Streptococcus y los Pediococcus son homolácticos,los Leuconostoc son heterolácticos, mientras que elcomportamiento de los Lactobacilus depende de cadaetapa en cuestión.
En productos poco ácidos (leche y carne), con objeto deconseguir una elevada concentración en el sustrato demicroorganismos y reducir así el tiempo de fermentación
bacterias causantes de alteraciones, se adiciona a ésteuna determinada cantidad de cultivo starter.En otros productos la flora natural es ya suficiente paraprovocar un rápido descenso del pH que evite el
crecimiento de microorganismos no deseados.
Productos obtenidos por fermentacionesProductos obtenidos por fermentaciones
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Productos obtenidos por fermentacionesProductos obtenidos por fermentaciones
lácticaslácticasPRODUCTOS CARNICOS
Embutidos fermentados (salami, peperoni):
mezcla de carnes finamente picadas, agregadode especias, sales de curado (nitritosódico/nitrato) sal y azúcar.Esta mezcla se embute, se fermenta y sepasteuriza entre 65-68 C durante 4-8 horas.
Se seca y almacena entre 4-7 C.Estos productos se conservan debido a: laacción antimicrobiana de las mezclas denitrito-especias y en menor grado, a la sal, al
ácido láctico producido por la fermentación(0.8-1.2%), al tratamiento térmico(pasteurización y ahumado), a la reducción dela aw producida por la sal y la deshidratacióny a la baja temperatura de almacenamiento.
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PRODUCTOS DERIVADOS DEL PESCADO
Para productos a base de pescado las proteínas son hidrolizadas porla acción combinada del bajo pH, los enzimas bacterianos y laacción autolítica de sus propias enzimas.
VERDURAS
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VERDURAS
Pepinillos, aceitunas y otros vegetales se sumergen en salmuera (2.5-10%) para inhibir el crecimiento de las bacterias causantes deputrefacciones.Para fermentar estos productos se elimina el aire tapando la superficie
del recipiente con un plástico que se mantienen en contacto íntimocon el producto vertiendo sobre él un determinado volumen de agua.Durante la fermentación se suceden distintas especies de bacteriaslácticas que provocan una concentración final de ácido láctico en elmedio de 1%
Para la elaboración de aceitunas verdes estilo español los frutosdel olivo no maduro se tratan primero con lejía (solución de hipocloritosódico al 1.0-2.6%), con el fin de hidrolizar el glucósido oleuropeínaque imparte un sabor amargo y también inhibe a las bacterias ácido
lácticas. Este tratamiento dura 10 horas, la lejía penetra en la pulpa,luego se elimina la lejía por lavado con agua durante varias horas,para después poner los frutos en salmuera que contiene entre 5-6%de sal. A medida que avanza la fermentación la sal aumenta a 8%.
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Durante la fermentación de las aceitunas verdes, Lactobacillus plantarum es la bacteria más importante, asimismo esta presenteLeuconostoc mesenteroides . Esta secuencia dependerá de la salutilizada ya que Leuc. mesenteroides no es especialmente saltolerante.La reducción del pH, el aumento de la acidez y la sal se asocian paraeliminar la microflora propia de las aceitunas dominada por
organismos Gram- y la sustituye por otra integrada por bacteriasacidolácticas y algunas levaduras. El proceso de fermentación duravarias semanas y culmina en un producto con un pH de 3.6-4.2 que
Para la producción de aceitunas negras al estilo griego producto
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Para la producción de aceitunas negras al estilo griego, productotradicional, las aceitunas maduras se ponen en una salmuera más
concentrada, que contiene hasta un 10% p/v de sal. La fermentación es muylenta porque la falta de un tratamiento con lejía significa que la oleuropeínatodavía se halla presente en las aceitunas y que los nutrientes difundenlentamente a través de la cutícula blanda del fruto. La microflora suele estardominada por diversas especies de levaduras: Saccharomyces, Hansenula,
Candida, Torulopsis, Debaryomyces, Pichia, Kluyveromyces y Crptococcus.
Es posible que las bacterias ácidolácticas sean importantes si el contenido desal es bajo (
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PRODUCTOS LACTEOS
Las diferencias de sabor de los diferentes productos lácteos (yogur,queso, kefir, nata ácida) se deben a la velocidad de producción y laconcentración de ácido láctico, aldehídos volátiles, cetonas, ácidosorgánicos y diacetilo (acetilmetil-carbinol). Este último compuesto, queprocede de la fermentación del citrato de la leche, es el responsable delcaracterístico aroma a “mantequilla” de los productos lácteos.
láctico a partir de la lactosa, que da lugar a una disminución de la cargaeléctrica de las micelas de caseína, las cuales coagulan al alcanzar supunto isoeléctrico, formándose unos flóculos característicos.
Los cultivos starter, la incubación y la fermentación determinan eltamaño y la textura de los flóculos. Estos productos se conservan enrefrigeración (yogur) o por descenso de su actividad de agua (queso).
YOGUR
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YOGUR
La mezcla de leche desnatada y leche deshidratada secalienta a 82-93 C durante 30-60 minutos para destruir losmicroorganismos contaminantes y desestabilizar la caseína
K.Seguidamente se inocula con un cultivo mixto. A la rápida proliferación inicial de S. thermophilus , que daugar a a pro ucc n e ace o, c o c co, ac co y
fórmico, le sucede la proliferación de L. bulgaricus . Estemicroorganismo, aunque crece en el medio máslentamente, posee una débil actividad proteásica quelibera al medio péptidos procedentes de la hidrólisis de lasproteínas lácteas. Estos péptidos estimulan el crecimientode S. thermophilus .
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La acidificación del medio frena el crecimiento de S. thermophilus yfacilita el de L. bulgaricus.
L. bulgaricus es el responsable de la acidificación y la producción deacetaldehído, que conjuntamente con el diacetilo, son los responsables
del bouquet y aroma característicos de este producto.
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QUESO
En el método tradicional del queso Cheddar, la leche a la que se haadicionado S. lactis , se fermenta durante 30 minutos, al cabo de loscuales se le añade el cuajo.Seguidamente se incuba durante 1.5-2 horas hasta que la cuajadaadquiere suficiente grado de firmeza, momento en el que se corta en
.
Después se calienta a 38 C para provocar la sinéresis y la expulsióndel suero.Posteriormente se corta de nuevo y se desuera varias veces, siendofinalmente triturada, salazonada y sometida a presión para eliminar elaire y el suero que contiene.
QUESO
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QUESO
Finalmente es madurada en refrigeración durante varios meses.Los enzimas, tanto de los microorganismos como del propio queso(proteasas, peptidasa, lipasas, descarboxilasas y desaminasas) danlugar a los distintos productos responsables de su característico aroma
y bouquet.La temperatura y el tiempo de maduración son los que finalmentedeterminan la intensidad de su sabor y aroma.
EFECTO DE LA FERMENTACION SOBREEFECTO DE LA FERMENTACION SOBRE
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EFECTO DE LA FERMENTACION SOBREEFECTO DE LA FERMENTACION SOBRE
LOS ALIMENTOSLOS ALIMENTOSLas condiciones suaves en las que la fermentación de los alimentossuele tener lugar, apenas provocan cambios en su valor nutritivo.Las complejas transformaciones que experimentan las proteínas y loscarbohidratos reblandecen la textura de los productos fermentados.Los cambios en el bouquet y el aroma pueden resumirse en:
1 Disminuci n e u zor e incremento e a aci ez por a
transformación de los azúcares en ácidos orgánicos, durante la fermentación.
2) Incremento del contenido en sal de algunos alimentos (pepinillos, salsa de soya, pescado y productos derivados) por
adición de la misma para dirigir el proceso de fermentación.3) Reducción del amargor de algunos alimentos por la acción de enzimas específicos
EFECTO DE LA FERMENTACION SOBREEFECTO DE LA FERMENTACION SOBRE
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EFECTO DE LA FERMENTACION SOBREEFECTO DE LA FERMENTACION SOBRE
LOS ALIMENTOSLOS ALIMENTOSEl aroma de los alimentos fermentados se debe, en su mayor parte, acomponentes volátiles (por ejemplo: aminas, ácidos grasos, aldehídos, ésteres
y cetonas) y de productos derivados de la interacción entre estoscomponentes durante la fermentación y la maduración.Los cambios de color pueden producirse como consecuencia de:
1) La adición de diversos compuestos químicos (nitritos y nitratos en los productos
2) Cambios enzimáticos experimentados por los pigmentos (degradación de la clorofila y el empardeamiento enzimático).
3) Desarrollo de pigmentos de color marrón como consecuencia de la actividad proteolítica.
La acción de los microorganismos provoca cambios complejos en el valornutritivo de los productos fermentados ya que cambia la composición proteica,
de grasas y de los hidratos de carbono y por le consumo o liberación al mediode vitaminas. Los microorganismos pueden consumir ácidos grasos,aminoácidos, azúcares y vitaminas presentes en el alimento. También puedenliberar al medio vitaminas que mejoran el valor nutritivo.