Microbiologia Industrial FERMENTACIONES - Alicia
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ì
ALICIA HERNANDEZC O L A B O R A D O R E S I L E A N A A L F A R O Y R O N A L D A R R I E T A
CONTENIDO
Prólogo.................................................................................................................................... ixP r e s e n t a c ió n ...................................................................................................................................................... x i
GENERALIDADESObjetivos .................................................................................................................................... 2ANTCÇB3ENT1S HjglpRlCO S ........... , ................. 3
La era antes de Pasteur .................................................................................................. iLouis Pasteur y sus investigaciones ........................................................................... 4La era después de Pasteur ............................................................................................ 5
Las levaduras................................................................................................................... 7Los mohos ....................................................................................................................... g1 -a* hartonas ....................................................................................................................................... 8
Ejercicios de autoevaluación.................................................................................... 9Fuentes y lecturas recomendadas ................................................ 11
Catxiutoi: EL MANEIO DE LOS CULTIVOS M O O B IO IÓ G IC O S
Objetivos .................................................................................................................. 14IN l-K Q PU C C lÓ N —............................................................................................ • . ■ . . * 1 3
El aislam iento de m icroorganism os .................................................................................. 16Los cultivos puros y los mixtos ................................................................................... 16Las técnicas para obtener cultivos puros .................................................................. 17
La siembra en placas de Petri por rayado ................................................................ 17La siembra en placa vertida ..................................................................................... 17Las diluciones en serie ............................................................................................. 1S
La desecación ........................... 19La congelación................................................................................................................ 20
La congelación ordinaria ......................................................................................... 20La congelación ultrafria ........................................................................................... 20La congelación con nitrógeno líquido ...................................................................... 21
Ul rof i l i zadán. * . . . . a . .____ 21
XV
Copyrighted material
La fuente de energía ...................................................................................................... 22La fuente de carbono ................................................................................................... 22La fuente de nitrógeno .................................................................................................. 23Las fuentes de otros elementos ................................................................................... 2á
LOS REQUERIMIENTOS AMBIENTALES ..................................................................................... 24La preparación pe medios de cultivo ............................................................................. 25
Los tipos de medios de cultivos................................................................................... 25El medio sintético ...................................................................................................... 25El medie complejo .................................................................................................... 25
La formulación áe medios de cultivo - ..................................................... 26U.£REFAKAa(>N.D£LiMX:ULQ-.^..,..^^x...^^., ̂ ̂ . . . . 2Z
Las etapas para preparar el inoculo .......................................................................... 27La recuperación de la cepa ....................................................................................... 27El crecimiento en un medie de cultivo sólido ..........................................................____ 28El crecimiento en un medio de cultivo liquido ....................................................... 28
Los aspectos por considerar en la preparación del inóculo.................................... 28La cantidad de inóculo ............................................................................................. 2&La concentración de microorganismos...................................................................... 28
Ejercicios de autoevaluación...................................................................................................... 31Fuentes y lecturas recomendadas .............................................................................................. 33
Guxtub3: LAS FERMENTACIONESUÜfCltVOS . . .♦ • * ....................................................................................................................... 36
37El concepto bioquímico de fermentación .................................................................. 37El concepto microbiológico de fermentación ........................................................... 38
I a r i asificactO n df. i ¡ns procesos df ffrmfntA< TQm ...................................................... 38Los productos finales de la fermentación .................................................................. 39El oxígeno en el proceso de fermentación .................................................................. 39
Las rutas bioquímicas de las fermentaciones .............................................................. 40Laglucólisis ..................................................................................................................... 40F1 rielo de Krebs ............................................................................................................ 41
Los fhrm fntad orrs .................................................................................................................... 42
El matraz erlenmeyer ................................................................................................... 43El reactor de tanque agitado ....................................................................................... 43
El sistema de agitación ............................................................................................. 44Las placas deflectoras ............................................................................................... 45Los dispositivos de adición, extracción v control ..................................................... 45El sistema de aireación ............................................................................................. 45Los sistemas de transferencia de calor ...................................................................... 45
El reactor d e elevación con aire 46El reactor de d isco rotatorio ......................................................................................... 46
LOS SISTEMAS DF. FERMENTACIÓN ......................................................................................................... 47La curva de crecimiento de un microorganismo ..................................................... 47
La fase de latericia .................................................................................................... 47La fase logarítmica o exponencial ............................................................................ 47
XVICopyrighted material
La fast’ estacionaria 48
El efecto de la concentración del sustrato sobre la velocidad de crecimiento . . . 48Algunos términos relacionados con la ecuación de Monod .................................... 48La ecuación de Monod ............................................................................................. 49
El cultivo en lote ............................................................................................................ 50El cultivo continuo ........................................................................................................ 50
El quimiostato .......................................................................................................... 51El turbidostato .......................................................................................................... 52El sistema de flujo tapón ......................................................................................... 52
Las ventajas y las desventajas del cultivo continuoen relación con el cultivo en lote ................................................................................ 53
I A RFCI TPFRAClOV Y 1 A Pl FRIFIC A n ^ V I OS PROni IfTTK ................... .............. 53La separación liquido-sólido ....................................................................................... 54
La filtración .............................................................................................................. 54La centrifugación ...................................................................................................... 55La floculación y la flotación ..................................................................................... 56
La desintegración celular ............................................................................................. 56La extracción líquido-líquido ....................................................................................... 56La cristalización.............................................................................................................. 57La cromatografía ............................................................................................................ 57
Ejercicios de autoemluación...................................................................................................... 59fuentes y lecturas recomendadas............................................................................................... 61
cuítalo 4: LOS PRODUCTOS LÁCTEOSObjetivos ................................................................................................................................... 64In tro d u cció n ............................................................................................................................... 65ElYOGUR ................................................................................................................................. 66
Definición ....................................................................................................................... 66Historia ........................................................................................................................... 67Los tipos de yogur ........................................................................................................ 67El proceso de elaboración del vogur batido ............................................................. 68
La ntaieria prinui ...................................................................................................... 68La estandarización .................................................................................................... 68La homogeneización ................................................................................................. 69La pasteurización ...................................................................................................... 69El enfriamiento pospasteurización .......................................................................... 70La inoculación y la fermentación ............................................................................ 70El enfriamiento posfermentación ............................................................................ 70La agitación y la adición de frutas .......................................................................... 71El em paque................................................................................................................ 71
El proceso de elaboración de yogur firme ................................................................ 71La producción de "yogur" en forma casera ............................................................. 71La microbiología y la bioquímica de la fermentación del yogur ......................... 72Aspectos nutricionales del yogur .............................................................................. 73
LOSOUtSOS ............................................................................................................................. 74Las características del queso ....................................................................................... 74
_______ XVII
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Los tipos de qu esos................................. 74El proceso general de elaboración de quesos ............................................................ 75
La materia prima y la estandarización .................................................................... 75La pasteurización ...................................................................................................... 76La inoculación y ¡a fermentación ............................................................................. 76La coagulación .......................................................................................................... 77El desuerado o escurrimiento ................................................................................... 77El moldeo y el prensado ........................................................................................... 78El salado ................................................................................................................... 78La maduración .......................................................................................................... 78
La n a t i l l a ............................................................................................................................... 80Definición ....................................................................................................................... §0El proceso de elaboración de la natilla ...................................................................... 80
La materia prima y la estandarización .................................................................... 80La homogeneización .................................................................................................. 80La pasteurización ...................................................................................................... 80La inoculación y la fermentación ............................................................................. 81El enfriamiento.......................................................................................................... 81El em paque................................................................................................................. 81
El suero de queso ................................................................................................................. 81Los PROB1ÓT1COS ..................................................................................................................... 82
Las ventajas del uso de los productos probióticos ................................................... 82Los requisitos de los microorganismos probióticos ................................................. 83
Ejercicios de autoew luaáón ...................................................................................................... 85Fuentes y lecturas recomendadas ............................................................................................. 87
úpjhifa 5 LOS EMBUTIDOS FERMENTADOSObjetivos .................................................................................................................................... 90INTRODUCCIÓN.......................................................................................................................... 21LOS EMBUTIDOS FERMENTADOS ....................................................................... 92
El PROCESO GENERAL DE ELABORACIÓN DE UN EMBUTIDO FERMENTADO ........................ 22La selección de la carne y la grasa ................................................................................... 94La congelación....................................................................................................................... 94El picado de las materias primas ..................................................................................... 94La adición de otros ingredientes ..................................................................................... 95La adición del cultivo iniciador ....................................................................................... 95El embutido. ^ ^ ^ ^ . ^ . 96La fermentación y el ahumado ....................................................................................... 96El secado ..................................................................... . ....................................................... 22
LA MICROBIOLOGÍA Y LA BIOQUÍMICA PE LA FERMENTACIÓN DE EMBUTIDOS .................... 97El proceso de fermentación de los embutidos ............................................................ 97Los microorganismos involucradosen el proceso de fermentación de los embutidos ........................................................ 98El .desarrollo del color en lo s em butidos., « ______ «....».........____ IDO
Los ERQCESQS ESPECIFICOS D£BJiBÜlL\QÚN±)E DOS liliEl salami duro ................ ............... .............................................. ., .........................« . . , ,.........101El peppenm i............................................................................................................................. 102
XVIIICopyrighted material
Ejercicios de autoevaluación . . . Fuentes y lecturas recomendadas
103105
CwMot: LAS BEBIDAS ALCOHÓLICAS
In tro ducció n ............................................................................................................................... 109F1 alcohol Phlirn nn es solo una bebida 109
Los tipos de bebidas alcohólicas ................................................................................ 110Los microorganismos termentadores ........................................................................ 112
La CERVEZA ................................................................................................................................... 113Las materias primas ...................................................................................................... 114
La malta .................................................................................................................... 115Los adjuntos .............................................................................................................. 116El lúpulo .................................................................................................................. 116La levadura .............................................................................................................. 117El ag u a ....................................................................................................................... 117
El proceso de elaboración de la cerveza .................................................................... 118La molienda de la malta ........................................................................................... 118La macerarían .......................................................................................................... 119La filtración .............................................................................................................. 120
_ J2 1La separación de precipitados (Whirlpool) ............................................................... 122El enfriamiento del mosto ......................................................................................... 122La aireación del mosto y la inoculación de la levadura .......................................... 122La fermentación ........................................................................................................ 123La separación de la levadura .....................................................................................La maduración ..........................................................................................................
125125
La filtración y la carbomtación de la cerveza ......................................................... 126El llenado y la pasteurización .................................................................................. 128
El deterioro de la cerveza ............................................................................................. 128El deterioro microbiológico ................................................................................ 128El deterioro químico ............................................................................................. 129
129Los últimos desarrollos tecnológicos.......................................................................... 129En nuestro país .............................................................................................................. 130
El vino ................................................................................................................................... 130Las materias primas........................................................................................................ 132
La uva ....................................................................................................................... 132La levadura .............................................................................................................. 134
El proceso de elaboración del vino ............................................................................. 135La vendimia .............................................................................................................. 135La eliminación de ¡os tallos y las ramas. Trituración ................................. 136El prensado déla uva ................................................................................................ 137El tratamiento del mosto de uva .............................................................................. 13ZLa fermentación ........................................................................................................ 139El trasiego del v in o .................................................................................................... 143La maduración de los mim . . . . . . . ___1M
________ XIX
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La clarificación y la filtración ................................................................................... 144El embotellado .......................................................................................................... 145
Otros vinos ..................................................................................................................... 146Los vinos de postre .................................................................................................... 146Los vinos espumosos.................................................................................................. 146
Los defectos y las enfermedades del v in o .................................................................. 148En nuestro país ............................................................................................................... 150
Ejercicios de autoei<aluación...................................................................................................... 151Fuentes y lecturas recomendadas .............................................................................................. 153
cwirt.7 LA PRODUCCIÓN DE VINAGRES Y VEGETALES FERMENTADOS
Objetivos .................................................................................................................................... 156In tro d u c c ió n ......................................................................................................................... 157La producción de vinagre ................................................................................................ 158
Aspectos generales ........................................................................................................ 158El proceso de elaboración de vinagre a partir de frutas ......................................... 159
La preparación de la fr u ta ......................................................................................... 160El tratamiento térmico .............................................................................................. 160La inoculación ........................................................................................................... 160La fermentación alcohólica ....................................................................................... 160La eliminación de la levadura ................................................................................... 161la fermentación acética ............................................................................................ 161La pasteurizaáón ...................................................................................................... 162
Los métodos para obtener vinagre ............................................................................. 162El método de Orleans ................................................................................................ 162El método de la acetificación sumergida .................................................................. 163
El repollo ácido o sauerkraut ....................................................................................... 164El acondicionamiento ............................................................................................... 165El picado ................................................................................................................... 165La adición de sal ........................................................................................................ 165El prensado ............................................................................................................... 166La fermentación láctica .............................................................................................. 166El tratamiento térmico ....................................................... 166El empacado ............................................................................................................... 166
Los encurtidos—................................................................................................................ 167El acondicionamiento ................................................................................................ 1ÉZLa prcfmración de la salmuera ................................................................................. 168La fermentación de los vegetales ............................................................................... 168Las operaciones postenores a la fermentación .......................................................... 168La preparación del medio ......................................................................................... 169La mezcla de iv¡(e tales con el medio preparado ....................................................... 169El empaque y el enfriamiento ................................................................................... 169
Ejercicios de autoevaluación...................................................................................................... 171Fuentes y lecturas recomendadas .............................................................................................. 173
XX
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Optobe: LA PANIFICACIÓN
Objetivos ..........................................................................................................................................iNrrRonirrrií'W ...............................................................................................................................
176177
LOS INGREDIENTES UTILIZADOSEN LA ELABORACIÓN DEL PAN .................................................................................................... 178
La levadura ........................................................................................................................... 178La harina de trigo ................................................................................................................ 179
_ mEl azúcar ............................................................................................................................... 181El agua ...................................................................................................................................A-iI .............................................................................. 182La grasa ................................................................................................................................. 182Otros ingredientes ...............................................................................................................
El proceso de elaboración del p a n .....................................................................................La reconstitución de la levadura .....................................................................................F1 mpyrladn o el amasado ................................................................................................
182182182183
í j i ferm entación.................................................................................................................... 183El cortado y el formado de la masa ................................................................................ 184El horneado ........................................................................................................................... 184
Ejercicios de autoevaluación......................................................................................................Fuentes y lecturas recomendadas .............................................................................................
■ ■ ■ — 187 189
c*/Wo9 LA PROTEÍNA UNICELULAR Y OTROS PRODUCTOS UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA
Objetivos ................................................................................................................................... 192Introducción 193La producción de proteína u n ice lu la r ............................................................................ 193
La selección de microorganismos para producir la P U C ........................................ 194El valor nutricional y la calidad de la PUC ........................................................... 195La digestibilidad ........................................................................................................La condición de patógeno y la toxiadad ..................................................................La velocidad de creamiento específico ......................................................................El sustrato utilizado .................................................................................................Las condiciones del m edio .........................................................................................
1961961961%196197
La forma de crecimiento del microorganismo ......................................................... 197La recuperación de la PUC ....................................................................................... 197
El proceso general de elaboración de la PUC .............................................................. 197La materia prima ..................................................................................................... 198La inoculación y la fermentación ............................................................................ 198La recuperación del producto ................................................................................. 198
Los usos de la PUC ........................................................................................................ 199Las ventajas y las desventajas de la PUC ..................................................................... 199
Las ventajas .............................................................................................................. 199Las desventajas.......................................................................................................... 200
La producción de hongos comrstjbi.e s .............................................................................. 201La producción de setas u hongos de sombrero .......................................................... 201La producción de hongos por fermentación en sustrato sólido ............................. 202
________ XXI
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La producción de ácidos o r g á n ic o s ................................................................................... 204El ácido cítrico ................................................................................................................. 204El ácido glucónico .......................................................................................................... 204El ácido láctico ................................................................................................................ 205
La producción de am inoácidos ............................................................................................ 205UrRODUCClÓN DE ENZIMAS ..................... >............................... MLa obtención de la fructosa y la glucosa, a partir del almidón ......................... 208
1.a lirupfarrión ...................................................................................................................... 208La^acariñcadón-. . . . ^ =___ 208La isomerizarión .................................................................................................................. 2Q§
Ejercidos de autoevaluación............................................................................................................ 211
Fuentes y lecturas recomendadas ........................................ 213
C**futo io: EL TRATAMIENTO BIOTECNOLÓGICODE L05 DESECHOS SÓLIDOS Y LAS AGUAS RESIDUALES
Objetivos .................................................................................................................................... 176In tro d u c c ió n ......................................................................................................................... 217Fundam entos teó rico s ........................................................................................................... 2J8
El proceso aerobio de biodegradadón ...................................................................... 219La biodegradadón de los carbohidratos .................................................................... 220La biodegradadón de los triglicéridos ...................................................................... 220La biodegradadón de las proteínas ........................................................................... 220La biodegradadón de ¡a lignina ............................................................................... 221
El proceso anaerobio de biodegradadón .................................................................. 221La hidrólisis ............................................................................................................... 222La acidogénesis .......................................................................................................... 222La acetogénesis .......................................................................................................... 222La metanogénais ...................................................................................................... 223
El impacto de la materia blodegradable en el ambiente ................. 223LOS TRATAMIENTOS DE DESECHOS SÓLIDOS BlODECRADABl.ES ........................................... 224
Los tratamientos aerobios de desechos sólidos biodegradables: compostajes . ■ 225Las tecnologías industriales de compostaje .............................................................. 228Las técnicas artesanales de biodegradadón .............................................................. 229
Los tratamientos anaerobios de desechos sólidos biodegradables ........................ 230Las condiciones ¡meas y químicas del proceso.......................................................... 231Las etapas del proceso biffeico ...................................................................... 231
LOS TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES ........................................................................... 232Los tratamientos aerobios de aguas residuales ....................................................... 235
Riego ......................................................................................................................... 235Biomasa inmovilizada................................................................................................ 236Lodos adivados ........................................................................................................ 238
Los tratamientos anaerobios de aguas residuales ................................................... 239Reactores de lecho f i j o ................................................................................................ 240Reactores de lecho expandido . . . . ........ 240Biorreactor de flujo ascendente con lecho de lodo ................................................... 240
O tra s consid eraciones ...................................................................................................... 241Ejerddos de autoevaluación............................................................................................. 243Fuentes y lecturas recomendadas ........................................................................................ 245A nexos........................................................................................................................................ 247
RESPUESTAS A LOS EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIÓN ......................................... 251
XXII
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Elementos didácticos de apoyo
Cuadro 1.1; Algunos tipos de levaduras utilizadas industrialmente....................... 7Cuadro 1-2: Algunos ejemplos de mohos utilizados industrialmente..................... 8Cuadro 1.3: Algunos ejemplos de bacterias utilizadas industrialmente 8Cuadro 2.1: Algunas colecciones microbianas en el mundo...................................... 18Cuadro 22: La composición promedio de Pharmamedia............................................ 23Cuadro 23: Algunos factores de crecimiento requeridos
por los microorganismos.................................................................... 24Cuadro 2.4: La composición de un medio sintético.................................................... 25Cuadro 15: La composición de un medio complejo.................................................. 26Cuadro 2.6: La composición promedio típica de los microorganismos................... 26Cuadro 3.1: Algunos compuestos de interés comercial
producidos por fermentacián............................................................ 39Cuadro 4.1: La composición promedio de la leche de vaca ..................................... 65Cuadro 4.2: Ejemplos de quesos madurados y frescos.............................................. 75Cuadro 4.3: Diferentes tipos de queso y sus cultivos iniciadores ........................... 76Cuadro 4.4: La composición promedio del suero de q u eso ...................................... 82Cuadro 5.1: Algunos embutidos fermentados (secos y semisecos) ......................... 93Cuadro 5.2: Algunos microorganismos utilizados
en la obtención de fermentación embutidos fermentados................. 99Cuadro 6.1: Ejemplos de clasificación de las bebidas alcohólicas ........................... 111Cuadro 6.2: Los principales congenérieos presentes en las bebidas alcohólicas . . 111Cuadro 6.3: Distintos tipos de cerveza en el mundo:
sus nombres y características.................................................................. 114
Cuadro 6.5: Los parámetros recomendados para las uvasdestinadas a la elaboración de vinos . . . ........ 134
Cuadro 6.6: Algunos agentes utilizados en los procesosde clarificación y filtración de v in o ....................................................... 145
Cuarlm fi.7:____I m dpfprtrw del v in o ............................................................................... 148Cuadro 6.8:____Las enfermedades del v in o ....................................................................... 149Cuadro 7.1: La clasificación de los vinagres, con base en la materia p rim a 159Cuadro 7.2: Los tiempos de fermentación para diferentes vegetales....................... 168Cuadro 73: La formulación de un medio para encurtidos........................................ 169Cuadro 8.1: La formulación del pan cuadrado ........................................................... 178Cuadro 8.2: La composición química de algunas m elazas........................................ 178Cuadro 8.3: La composición química aproximada del grano de trigo..................... 180Cuadro 8.4: La composición de la harina de trigo
con diferentes grados de extracción....................................................... 180Cuadro 8.5: La clasificación y aplicación de las harinas de trigo,
de acuerdo con el contenido de proteínas............................................. 180Cuadro 9.1: Algunos microorganismos utilizados para la producción
de PUC y los sustratos en los que crecen ............................................. 195Cuadro 9.2: Las características que se deben considerar al seleccionar
el microorganismo para producir P U C ................................................. 195
_______ XXIII
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Cuadro 9.3: Cuadro 9.4: Cuadro 9.5: Cuadro 10.1: Cuadro 10.2:
Cuadro 103: Cuadro 10.4:
Cuadro 10.5:
Cuadro 10.6: Cuadro 10.7:
Cuadro 10.8:
Cuadro 10.9:
Cuadro A.10.1:
Cuadro A.10.2:
Cuadro A. 10.3:
Diagrama 3.1:
El contenido proteico de varias fuentes ................................ 199Algunos hongos comestibles .................................................................. 201Enzimas de interés industrial obtenidas por fermentación............... 207La clasificación de los desechos biodegradables.................................. 217Las condiciones recomendables de) sustratopara el proceso de compostaje ................................................................ 225Las características deseables de la composta......................................... 227El contenido de las compostas que producenbuen rendimiento de sorgo...................................................................... 227Las concentraciones máximas permitidas de metalespesados en la composta (en países de la Unión Europea)................. 228La productividad de biogás, según la materia prim a.......................... 232La frecuencia mínima de muestreo y los análisispara aguas residuales de tipo ordinario y especia).............................. 233Los límites máximos permisibles para el vertidode aguas residuales en el alcantarillado o en cuerpos de ag u a 234Comparación entre los procesos aerobios y anaerobiosde depuración de aguas residuales ........................................................ 235Los límites máximos permisibles para el vertidode aguas residuales al alcantarillado sanitario.................................... 247Los límites máximos permisibles para el vertidode aguas residuales en cuerpos de agua................................................. 248Las concentraciones máximas permisibles de contaminantespor tipo de actividad................................................................................. 249
Las principales partes de un reactor de tanque agitado..................... 44Las placas deflectoras en un reactor de tanque agitado...................... 45Los sistemas de transferencia de caloren un reactor de tanque agitado.............................................................. 46Un reactor de elevación con aire .......................................................... 46Un reactor de disco rotatorio ................................................................. 46El sistema de fermentación de tipo quimiostato................................ 51Un reactor de flujo tapón ....................................................................... 53El filtro p rensa............................................................................................ 54El filtro rotatorio ....................................................................................... 55La centrífuga de d isco s............................................................................. 56Una máquina para picar la carne............................................................ 95Un molino de m alta....................................................................................... 118Los maceradorcs involucrados en la infusión con doble macerador 119Un lauter.......................................................................................................... 121Una olla de ebullición................................................................................... 121Un uni tanque.................................................................... 123Dos tipos de filtros utilizados para clarificar la cerveza......................... 127Una prensa horizontal de tomillo .......................................................... 137Una cuba de madera para la fermentacióny la maduracián del vino ........................................................................ 140Un tanque de fermentación de acero inoxidablepara la fermentación y la maduración del vino ...................................... 140Sección longitudinal de un tanque rotatorio (Roto-tank) ....................... 143
Diagrama 32:Diagrama 3.3:
Diagrama 3.4Diagrama 3.5Diagrama 3.6Diagrama 3.7Diagrama 3.8Diagrama 3.9Diagrama 3.10:Diagrama 5-1Diagrama 6.1Diagrama 6.2Diagrama 6.3Diagrama 6.4Diagrama 6.5Diagrama 6.6Diagrama 6.7Diagrama 6.8
Diagrama 6.9:
Diagrama 6.10:
xxrvCopyrighted material
Diagrama 7.1: El acetificador Frings................................................................................ 164Diagrama 7.2: Un cavitador.............................................................................................. 164Diagrama 10.1: Lechos sumergidos .................................................................. 237Diagrama 10.2: El sistema de filtro por g o te o ................................................................. 237Diagrama 10.3: Los sistemas de incorporación de aire
en procesos con lodos activados............................. 238Diagrama 10.4: Un biorreactor de fosa (Cía. ICI) ........................................................... 238Diagrama 10.5: Un biorreactor de torre (Cía. Bayer)...................................................... 239Diagrama 10.6: Un biorreactor de lecho fijo ..................................................................... 240Diagrama 10.7: Un biorreactor de lecho expandido ...................................................... 240Diagrama 10.8: Digestor anaerobio de flujo ascendente, con capa de sedimento . . . 241
Esquema 2.1: La clasificación de los microorganismos,con base en la fuente de energia que utilizan....................................... 22
Esquema 3.1: La secuencia de reacciones de la glucólisis............................................ 41Esquema 3J2: El ciclo de Krebs........................................................................................... 42Esquema 3.3: Los sistemas de operación de cultivo continuo...................................... 51Esquema 4.1: Las etapas del proceso de elaboración del yogur b atid o ..................... 68Esquema 4.2 Las etapas del proceso de elaboración del q u eso .................................. 75Esquema 4.3: Las etapas del proceso de elaboración de la natilla ............................. 80Esquema 5.1: Clasificación general de los embutidos
con base en rl tratamiento térmico................. —____ _____ 92Esquema 5.2: Las etapas del proceso general de elaboración
de un embutido fermentado.................................................................... 94Esquema 5.3: La formación de los compuestos responsables
del color en los embutidos ...................................................................... liliEsquema 5.4: Las etapas del proceso de elaboración del salami d u ro ....................... 101Esquema 5.5: Las etapas del proceso de elaboración del pepperoni ......................... 102Esquema 6.1: Las etapas del proceso general de elaboración de la cerveza ............ 118Esquema 6.2: Una linea de llenado de botellas ................................. 127Esquema 6.3: Las etapas de los procesos de elaboración
de los vinos blanco y tinto ...................................................................... 135Esquema 6.4: La producción de champán en grandes recipientes............................. 147Esquema 7.1: Las etapas del proceso de elaboración de vinagre
a partir de una fruta ................................................................................. 159Esquema 7.2: Las etapas del proceso de elaboración del sauerkraut......................... 165Esquema 73: Las etapas del proceso de la elaboración
de un encurtido fermentado........................... lóZEsquema 8.1: Las etapas del proceso de elaboración de pan .................................... 182Esquema 9.1: Las etapas del proceso de elaboración de proteina
unicelular para alimentación an im al..................................................... 198Esquema 9.2: Las etapas del pnyeso de elaboración de tempe ............................... 203Esquema 93: Las etapas para la obtención de jarabe de fructosa
a partir de almidón, por medio de enzimas ......................................... 209Esquema 10.1: El reciclaje de materiales en la naturaleza............................................ 218Esquema 10.2: El flujo de materiales en la sociedad de economía lineal................... 219Esquema 10.3: El flujo de materiales en una economía de recirculadón
de materiales, en la que el entorno social y natural son congruentes 219
________XXV
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Esquema 10.4: La secuencia de biodegradadón de productospor diferentes microorganismos...................................................... 222
Esquema 105: La formarión de gas metano mediante biodegradadón anaerobia . . 223Esquema 10.6: Las etapas del tratamiento anaerobio bifásico de desechos sólidos . 232Esquema 10.7: Las etapas del tratamiento biológico de aguas residuales................ 234
Figura 2.1: La siembra en placa de Petri por rayado................................................ 17Figura 2.2: La siembra en placa vertida ..................................................................... 17Figura 2.3: El equipo utilizado para resiembra ........................................................ 19Figura 3.1: Algunos productos que se pueden formar a partir del piruvato 40Figura 3.2: Erlenmeyers utilizados en procesos de fermentación........................... 43Figura 3.3: Los tipos de paletas utilizados en los impulsores................................. 45Figura 4.1: Un cultivo de microoiganismos para la preparadón de yogur 70Figura 4.2: El corte de la cuajada del coágulo en la fabricadón de quesos 77Figura 43: La perforación de quesos para el desarrollo de hongos...................... 79Figura 6.1: La espiga y el grano de cebada................................................................. 115Figura 6.2: La inflorescenda femenina del lúpulo.................................................... 116Figura 6.3: El radmo de unas y la u v a ....................................................................... 132Figura 7.1: Un densímetro o hidrómetro .................................................................. 168Figura 8.1: Las partes de un grano de tr ig o .............................................................. 179Figura 10.1: Las dimensiones recomendables de cúm ulos....................................... 225Figura 10.2: Máquinas para voltear cúmulos de composta ..................................... 229Figura 10.3: La segmentadón de una vermicompostera........................................... 230
Fotografía 3.1: Un reactor de tanque agitado................................................................ 44Fotografía 6.1: Diferencia entre el vino clarificado y sin clarificar............................ 144
Gráfico 1.1: La reladón entre el comportamiento de la concentradón celular(crecimiento) y la concentración de metabolitos, a través del tiempo 7
Gráfico 3.1: La curva de crecimiento de un microorganismo........................... 47Gráfico 3.2:_____El efecto de la concentración de sustrato limitante
sobre la veloddad de crecimiento de un microorganismo.......... 49Gráfico 4.1: La influenda de la temperatura sobre la proporción
de las espedes al final de la fermentación, en un cultivo de yogur . 73Gráfico 4.2: La influencia de la cantidad de inóculo y el tiempo sobre
la propordón de las especies al final de la fermentación,en un cultivo de yogur ............................................................................. 73
Gráfico 6.1: Ejemplo de una curva de maceradón ................................................... 121Gráfico 6.2: Ejemplo de una curva de fermentación para la cerveza lager.......... 125Gráfico 10.1: La evolución promedio de la temperatura de desechos
biodegradables, tratados por compostaje(en un cúmulo de cincuenta centímetros de altura)..................... 226
llustradónó.l: Vista parcial del cuarto de cocimiento........................................... 122Ilustración 6.2: Unitanques de fermentadón y maduración ........................................ 124llustradón 6.3: Dos tipos de filtros utilizados para clarificar la cerveza.............. 126Ilustración 6.4: Sección de la línea de llenado de latas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ___ 128ilustración 6,5 ; Una linea de embotellado de vino , , , _____________ __ ,____140llustradón 9.1: Agaricus btsporus....................................................................... 202
XXVICopyrighted material
CAPÍTULO 1
GENERALIDADES
S u m a r io
Antecedentes históricos
Los microorganismos utilizados industrialmente
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OBJETIVOS
a) Explicar qué es la microbiología industrial.
b) Describir el campo de aplicación de la microbiología industrial.
c) Explicar el origen y el desarrollo de la microbiología industrial.
d) Explicar la importancia de las investigaciones de Louis Rasteur en el campo de la microbiología industrial.
e) Reconocer la importancia de los microorganismos en los procesos industriales.
2 M ic r o b io lo g ía in d u s t r ia l / M ic ia H er n á n d ez
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A ntecedentes h istó r ic o s
La historia de la microbiología industrial es muy amplia; se desarrolla en muchos escenarios y en las manos de grandes maestros de la investigación. Es sorprendente conocer la forma en que los seres humanos incursionaron en el mundo microscópico y cómo, a partir de ese momento, el desarrollo de esta área de la microbiología crece a un ritmo cada vez mayor.
Esta sección es un complemento del Capítulo 1 del libro Introducción a la microbiología, de García (1995). Se recomienda estudiar el capítulo indicado y, con base en ese material, realizar la siguiente actividad.
Confeccione una lista de los acontecimientos de la historia de la microbiología, que se encuentran directamente involucrados
con el área de la microbiología industrial.
Muchos investigadores han contribuido al desarrollo de la microbiología industrial; sin embargo, el francés Louis Pasteur (1822-1895) es considerado el más exitoso, por sus relevantes aportes, principalmente, en el campo de los alimentos y en el de la medicina (con el descubrimiento de los microorganismos causantes de ciertas enfermedades y la forma de controlarlos). Con base en las investigaciones de Pasteur, se estudiará la historia de la microbiología industrial en tres etapas:
a) La era antes de Pasteur
b) Louis Pasteur y sus investigaciones
c) La era después de Pasteur.
En este apartado, se proporcionará una visión general, ya que el desarrollo de los procesos de fabricación de determinados productos, como el vino, la cerveza o el queso, será analizado en los próximos capítulos.
m m o i : G e n e ra lid a d e s 3
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La era antes de Rasteur
En la antigüedad, el ser humano no tenía idea de la existencia de microorganismos, sin embargo, los utilizaba para su beneficio: se reporta el consumo de cerveza, vino y queso, cuya fabricación se inició de forma más bien accidental. La cerveza es el primer producto -del que se tiene información- obtenido a partir de la transformación, por microorganismos, de un sustrato. Su elaboración se originó alrededor del año 6000 a.C. en la civilización sume- ria. Dos mil años después, en el año 4000 a.C., los egipcios también preparaban esta bebida; además, utilizaban la levadura de la cerveza como agente para esponjar el pan, por su capacidad de producir dióxido de carbono (C 02).
La fabricación de queso data del año 2000 a.C. y se menciona en el Antiguo Testamento.
Ya para el siglo XIV a.C., el hombre sabía elaborar y destilar bebidas alcohólicas, a partir de fermentaciones de granos de cereales. De ahí en adelante y hasta el año 1700, los avances en este campo fueron lentos pero significativos; entre ellos, se pueden citar la producción de yogur, vinagre y otros alimentos fermentados, provenientes de la cultura oriental principalmente.
En 1663, el biólogo holandés Antony van Leeuwenhoek (1632-1723) inventó el microscopio y, por medio de este instrumento, descubrió la existencia de los microorganismos. A partir de esa fecha, todo cuanto caía en sus manos era objeto de observación; sin embargo, no logró descifrar los efectos y las utilidades de los microorganismos, incógnitas que permanecieron sin resolver por dos siglos más.
Louis Pasteur y sus investigaciones
En 1837, tres investigadores (Cagniard de la Tour, Schwann y Kützing) detectaron median
te el microscopio -en forma simultánea, pero independíente- la presencia de microorganismos en la espuma de la cerveza. Los microorganismos observados eran levaduras en el proceso de germinación, lo cual les indicó que estaban vivos y los relacionaron con la producción de la cerveza. Denominaron la levadura Saccharomyces (hongo del azúcar), por su capacidad de convertir el azúcar en alcohol. A pesar de ese descubrimiento, fue Louis Pasteur quien demostró al mundo la utilidad de los microorganismos para el ser humano, por lo que se le considera el pionero de estos estudios.
La oportunidad de Louis Pasteur de revolucionar el campo de la aplicación de la microbiología, se le presentó en Lille (ciudad de cultivadores de remolacha y destiladores de alcohol). En las destilerías de este lugar, existía un problema: en unos de los recipientes que contenían el azúcar de remolacha no se estaba produciendo alcohol, mientras que en otros sí. Hasta el momento, se sabía que el azúcar de remolacha era convertido en alcohol, pero no se conocía por cuál mecanismo. Pasteur tomó muestras de los recipientes en los que no se producía alcohol, y encontró que los microorganismos eran diferentes de los responsables de la producción del alcohol. Analizó el contenido de estos recipientes y descubrió que era ácido láctico. Entonces, concluyó que había unos microorganismos específicos para la producción de alcohol y otros para la de ácido láctico. Con el fin de solucionar el problema de "contaminación" en las destilerías, Pasteur aconsejó a los industriales evitar la presencia de los microorganismos productores de ácido láctico en los recipientes de producción de alcohol; sin embargo, en ese momento, él no sabía exactamente cómo lograrlo.
Otro éxito de las investigaciones de Pasteur consistió en la elaboración de un medio de cultivo artificial para reproducir los microorga
4 M ic r o b io lo g ía in d u s t r ia l ! A lic ía H er n á n d ez
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nismos. El acontecimiento lo originó el siguiente problema: los microorganismos productores de áddo láctico se desarrollaban en un líquido de color grisáceo difícil de estudiar; por lo tanto, ideó un medio de cultivo transparente con base en azúcar, cal y levadura seca, en el que, después de un tiempo de incubación, los microorganismos se multiplicaron.
Continuando con sus experimentos, Pasteur detectó que, en algunos casos, no se producía ácido láctico, sino un líquido con un olor a mantequilla rancia, en el que descubrió la presencia de otro microorganismo: el productor del ácido butírico. De esta forma, confirmó su hipótesis de que se pueden obtener diferentes productos a partir de un determinado sustrato, dependiendo del microorganismo que se encuentre en el cultivo. Con este experimento, accidentalmente, también se percató de otro hecho: el aire era perjudicial para esos microorganismos, pues aquellos "bichitos" que estaban en el borde de una gota no se movían, mientras que los que se encontraban en el centro sí tenían movimiento.
Además, demostró que los microorganismos también eran los responsables de la descomposición de los alimentos y rebatió, en definitiva, la idea de la generación espontánea, por medio de su experimento con un balón con cuello de ganso. Para ampliar la información al respecto, se puede consultar el Capítulo I del libro Introducción a la microbiología (Garda, 1995).
Un problema similar al de las destilerías se presentó en la producción de vino y de vinagre: a veces, el producto obtenido no reunía las características deseadas; Pasteur, con un poco más de experiencia en estos asuntos, rápidamente atribuyó el problema a la presencia de microorganismos ajenos al proceso de interés. Solucionó el problema de los industriales al descubrir que si calentaba el mosto
empleado en la fabricación del vino por debajo de su punto de ebullición, los microorganismos morían y el vino se mantenía sin alteraciones. Este proceso dio origen al tratamiento térmico denominado pasteurización. La pasteurización revolucionó el campo de la conservación de los alimentos y del control de la contaminación en los procesos de fabricación de diferentes productos.
Los descubrimientos de Pasteur no se detuvieron aquí: continuó investigando y haciendo aportes fundamentales en el área de la m e dicina; sin embargo, no se mencionarán en esta unidad didáctica, pues no se encuentran dentro de sus objetivos.
El doctor Louis Pasteur es considerado el "padre de la microbiología industrial", ya que sus investigaciones contribuyeron no solo a mejorar los procesos existentes (que hasta el momento eran empíricos), sino a crear los cimientos para el desarrollo de un sinfín de industrias nuevas basadas en el uso de los microorganismos.
La era después de Pasteur
Hacia fines del siglo XIX, después de las importantes contribuciones de Pasteur, los hermanos Buchner llevaron a cabo un experimento mediante el cual, accidentalmente, encontraron las bases de la bioquímica. Ellos querían conservar inalterado un extracto de levaduras (líquido sin células vivas), entonces, para conseguirlo, le adicionaron una gran cantidad de azúcar, con base en el hecho de que el azúcar sirve como medio para preservar algunos alimentos; sin embargo, después de un tiempo notaron -con sorpresa- que el azúcar se transformaba en alcohol. A partir de ese experimento, se iniciaron los estudios sobre los mecanismos de transformación de los compuestos.
cvfn.w i. G eneralidades ________ 5Copyrighted material
En el siglo XX, continuó la ola de descubrimientos en el área de la microbiología. Desde 1900 hasta 1940, se desarrolló una serie de procesos industriales: la producción de acetona, butanol, glicerol, ácido cítrico, ácido láctico y biomasa. En este último proceso, se recurrió a la rapidez de reproducción de los microorganismos en comparación con el tiempo que tardan las plantas o los animales para crecer y ser fuentes de proteínas, como opción para suplir de alimento a grandes poblaciones que sufren de hambruna. También, en esos años, se empezó la producción de enzimas, tales como proteasas, amilasas e invertasas; en 1914, se iniciaron las investigaciones para el tratamiento de las aguas negras. Estos avances reflejan cómo se fue ampliando el ámbito de aplicación de los microorganismos y su íntima relación con la vida del hombre.
La producción industrial de la penicilina (antibiótico) es un hecho ligado a las necesidades del ser humano en ese momento -el tratamiento de los heridos en la Ií Guerra Mundial-, que marca la historia de la humanidad. En esa época, ya se empleaban los cultivos sumergidos y aeróbicos, y se utilizaban termentadores agitados con controles automáticos (detalles sobre ese tipo de fermentadores se encuentran en el Capítulo 3 de este texto).
De 1960 a 1975 se lograron grandes avances en la producción masiva de enzimas a partir de microorganismos y de jarabes con alto contenido de fructosa por vía enzimàtica. También se produjeron, por esta vía, aminoácidos, estimuladores del sabor, vitaminas (B2 y B]2) y polímeros microbianos utilizados como aditivos en alimentos. La crisis petrolera, en 1974, incentivó al ser humano a buscar alternativas para sustituir el uso de combustibles derivados del petróleo, por lo que se mejoró el proceso de producción de alcohol, compuesto utilizado en la fabricación de gasohol.
En la actualidad, la microbiología industrial ha traspasado muchas fronteras que delimitaban su campo, y es difícil continuar hablando solo de "microbiología", cuando los procesos tienen componentes de disciplinas como la ingeniería química, la ingeniería genética y la biotecnología, entre otras. Por ejemplo, los avances se han dirigido, principalmente, a la manipulación genética de los microorganismos para aumentar los rendimientos de producción de metabolitos, disminuir su toxicidad, erradicar enfermedades y un sinfín de aplicaciones más. Además, se desarrollan procesos para el aprovechamiento de desperdicios (agrícolas e industriales) así como para el tratamiento de residuos (líquidos y sólidos), con la finalidad de controlar y disminuir la contaminación ambiental, y conservar los recursos del planeta.
LOS MICROORGANISMOS
UTILIZADOS INDUSTRIALMENTE
En los microorganismos, como en cualquiercélula, ocurre una serie d e rea ccio n es químicas cuyo conjunto se denomina metabolismo; las sustancias que se producen se conocen como metabolitos. Los metabolitos primarios son los compuestos esenciales para el crecimiento del microorganismo, mientras que los productos sintetizados que no están relacionados con su crecimiento se conocen como metabolitos secundarios. El Gráfico 1.1 ilustra el comportamiento del crecimiento microbiano en relación con la producción de cada tipo de meta- bolito. Los metabolitos primarios (Gráfico1.1.a) se producen al mismo tiempo que se da el crecimiento del microorganismo, mientras que los metabolitos secundarios (Gráfico 1.1.b) se producen generalmente cuando la velocidad de crecimiento de los microorganismos es igual a su velocidad de muerte.
6 M ic r o b io lo g ía in d u s t r ia l ! A lic ia H er n á n d ez
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MetabolitosCrecimientocelular
Gráfico 1.1:
a) b)
La relación entre el comportamiento de la concentración celular (crecimiento) y la concentración de metabolitos, a través del tiempo, a) Metabolitos primarios, b) Metabolitos secundarios.Fuente: Adaptado de Marison (19%).
Durante un proceso industrial, es importante que el microorganismo participante se desarrolle de tal forma que se maximice la producción del compuesto de interés. Los compuestos de interés pueden ser:
• Los mismos microorganismos (término más comúnmente conocido como biomasa).
• Los metabolitos: primarios y secundarios.
En forma natural, los microorganismos elaboran únicamente la cantidad de metabolitos necesaria para su subsistencia; sin embargo, si se conoce su metabolismo, es posible alterarlo para lograr la sobreproducción de algún compuesto en particular.
Los microorganismos más utilizados son las levaduras, los mohos y las bacterias.
En el libro Introducción a la microbiología (Garda,
1995), encontrará aspectos generales sobre estos tres tipos de microorganismos. Con base en ese m aterial, realice la sigu iente actividad.
Algunos de los procesos de obtención de biomasa y metabolitos, a partir de levaduras, mo
hos y bacterias, se estudiarán en los próximos capítulos.
Las levaduras
Las levaduras son los microorganismos más importantes desde el punto de vista industrial, porque muchas de las especies pueden convertir los azúcares en alcohol etílico y dióxido de carbono. Participan en la producción de cerveza, vino, alcohol industrial, glicerol y vinagre. Las células de levadura se utilizan también en la industria de la panificación y como alimento animal y humano, por su alto contenido de proteínas. En el Cuadro 1.1 se muestran algunos ejemplos de levaduras y los compuestos que producen.
Cuadro 1.1
ALGUNOS TIPOS DE LEVADURAS UTILIZADAS INDUSTRIALMENTE
Lrx.ulurn I’ roduc lo
Saccharomyces ellipsoideus Vino
Saccharomyces cerevtsiae Cerveza y levadurade panificación
Torulopsis utilis Fuente de proteínasCandida lipolytica
Schizosaccharomyces sp. Alcohol industrial
Fuente: Pelczarefa/. (1986,655).
Elabore una lista de las principales características de las levaduras, los mohos y las bacterias.
Cirtruto i: Generalidades1 _______________________________________ i
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Los mohos
Los mohos se han utilizado especialmente en la producción de antibióticos, enzimas, vitaminas y ácidos orgánicos, tales como el cítrico, el láctico y el glutámico; también, en la maduración de varias clases de queso, como el Roquefort. El Cuadro 1.2 contiene información acerca de algunos ejemplos de mohos y los productos de interés comercial que se pueden obtener a partir de ellos.
Las bacterias
Las bacterias han sido utilizadas para la producción de vinagre, ácido glucónico y cetoglu- cónico. Las Acetobacter conforman un grupo de especies oxidantes, entre las cuales se encuentran aquellas productoras de vinagre, dióxido de carbono y sorbitol. Otro grupo de bacterias, de gran importancia desde el punto de vista industrial, son las Lactibacillus delbrueckii, cuya denominación se debe a que el ácido láctico es el producto principal de su metabolismo.
Las bacterias del género Clostridium destacan en la producción de acetona y de butanol y las del género Streptomyces en la del antibiótico estreptomicina. El Cuadro 1.3 muestra algunos ejemplos de bacterias utilizadas industrialmente.
Cuadro t .2
ALGUNOS EJEMPLOS DE MOHOS UTILIZADOS INDUSTRIALMENTE
Moho Producto
Aspergillus rtiger
Penicillium spp.
PeniciHium roquefortí
Aspergillus terreas
Rhi/opus oryiae
Penicillium griseoiuhvm
Ácido cítrico
Ácido glucónico
Queso Roquefort
Ácido itacónico
Ácido láctico
Griseofülvina
Fuente: Pelczar et al. <1986, 658).
Cuadro 1.3
ALGUNOS EJEMPLOS DE BACTERIAS UTILIZADAS INDUSTRIALMENTE
Bacteria Producto
Acetobacter
Acetobacter suboxydans
Lactobacillus bulgmcus
Lactobacillus delbrueckii
Clostridium acetobutylicum
Streptomyces griseus
Vinagre
Sorbitol
Yogur
Ácido láctico
Acetona, butanol
Estreptomicina
Fuentp: Adaptado de Pelczar el al. (1986).
8 M ic r o b io lo g ía in d u s t r ia l / Al ic ia H e r n á s d e z
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FUENTES Y LECTURAS RECOMENDADAS
B u tlin , K, 1967, "Aspects of microbiology". Cap. 1. En: Biochemica! and biológica} engineering Science. V61.1. New York: Academic Press.
CRUEGER, W. Y A. C rueger. 1989. Biotecnología: Manual de microbiología industrial. España: Editorial Acribía.
DE KriííF, P. 1992. Cazadores de microbios. México: Editores Mexicanos Unidos.
G a rc ía , V. 1995. Introducción a la microbiología. San José: EUNED.
MarISON, I. 1996. "Cinética del crecimiento". Cap 10. En: Biotecnología para ingenieros: sistemas biológicos en procesos tecnológicos. Ed. por Scragg, A. México: Editorial Limusa.
P e lc z a r , M.; C h an , E. Y N. KríEG. 1986. Microbiology. 5 'e d . U.S.A.: M cG raw H ill.
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QUINTERO, R. 1993. Ingeniería bioquímica: teoría y aplicaciones. México: Alhambra Mexicana.
RHODES, A. Y D. FlETCHER. 1969. Principios de microbiología industrial. España: Editorial Acribia.
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STANBURY, P. Y A. W hitaker. 1987. Principies of fermentation technology. Great Bri-tain: Pergamon Press.
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OBJETIVOS
a) Citar las etapas involucradas en el manejo de cultivos.
b) Explicar las condiciones que intervienen en la selección de un cultivo puro o uno mixto, en un proceso industrial.
c) Describir los métodos involucrados en el aislamiento de microorganismos.
d) Establecer las diferencias entre los métodos de conservación de los microorganismos.
e) Mencionar los principales requerimientos nutricionales de los microorganismos.
0 Indicar los principales factores que se deben considerar en la formulación de medios de cultivo.
g) Describir las etapas y los aspectos involucrados en la preparación de ¡nóculos.
14 MlCROeiOíOCU INDUSTRIAL / AttOÁ HERNÁNDEZ
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In tro d u cció n
El manejo de un cultivo microbiológico involucra las siguientes etapas:
a) El aislamiento del microorganismo
b) La conservación del microorganismo
c) La preparación del medio de cultivo en el que se desarrolla
d) La preparación del inoculo
e) El escalamiento
f) La producción industrial.
Cada una de estas etapas es importante, y un descuido en alguna de ellas puede conducir todo el proceso al fracaso.
El aislamiento de un microorganismo con características específicas es una labor ardua y costosa. Muchos microorganismos son irrem- plazables, pues han sido obtenidos por procedimientos empíricos: no existe un método bien definido para obtener la cepa nuevamente, en caso de perderla. Además, la modificación de un microorganismo para variar sus características hace que sea muy inestable y susceptible de perderlas con facilidad.
Actualmente, el aislamiento se realiza en condiciones cada vez más estandarizadas y repetibles, y se recurre al mejoramiento genético de las cepas para obtener cualidades especiales, tales como una mayor productividad de biomasa o sustancias de interés.
Cuando el microorganismo se ha aislado, debe ser conservado: se le aplica un método que garantice la estabilidad -a través del tiempo- de las propiedades que lo hacen valioso. El estudio de los requerimientos nutricionales permite realizar una adecuada formulación del
o imo2: EL MANEJO DE LOS CULTIVOS MICROBIOLÓGICOS ________15Copyrighted material
medio de cultivo por utilizar, para que el microorganismo se desarrolle y produzca los metabolitos de interés.
Una vez definido el medio de cultivo, es necesario preparar el inoculo, a partir del microorganismo que se encuentra en conservación; finalmente, se lleva a cabo el proceso a escala industrial.
En este capítulo se estudiarán todas las etapas antes mencionadas, con excepción de la producción industrial, que se desarrollará en el Capítulo 3.
El a is l a m ie n t o d e m i c r o o r g a n i s m o s
Cuando se examina en el microscopio una gota de agua de lluvia, se observa gran variedad de microorganismos; algunos de ellos podrían ser útiles al hombre, mientras que otros podrían ser patógenos. La separación de cada una de estas variedades es lo que se conoce como el aislamiento de microorganismos.
Los cultivos puros y los mixtos
En algunos procesos industriales es imprescindible que se encuentre solo un tipo de microorganismo, mientras que en otros es necesaria la presencia de un conglomerado de ellos para alcanzar los objetivos esperados. Por lo tanto, las características específicas de cada proceso industrial van a definir la conveniencia de utilizar un cultivo puro o uno mixto.
Un cultivo puro es aquella población de microorganismos de un mismo tipo que, generalmente, se producen a partir de una sola célula. Una cepa (cultivo) de Sacdiaromyces cere- visiae para producir cerveza es un ejemplo típico de un cultivo puro. En contraste, un cultivo mixto está compuesto por varios microor
ganismos, cuya presencia en conjunto cumple una determinada función. Las poblaciones de microorganismos utilizados para el tratamiento de desechos líquidos (aguas residuales) representan un caso común de la utilización de cultivos mixtos.
En varios procesos de fermentación, es estrictamente necesario mantener condiciones de asepsia para que el microorganismo pueda desarrollarse; por ejemplo, en la producción de antibióticos o ciertas vitaminas (cianocoba- lamina y riboflavina), si otros microorganismos se hallan presentes, van a competir por los nutrimentos del medio, y la cepa de interés puede desaparecer o disminuir significativamente la producción de metabolitos. Por el contrario, en algunas fermentaciones no es requisito utilizar medidas estrictas de higiene, ya sea porque durante el proceso las sustancias producidas favorecen solo la presencia del microorganismo de interés, o porque un cultivo mixto es el que participa en la reacción. La producción de vinagre, por ejemplo, no necesita condiciones estériles, pues el medio ácido y la temperatura a la que se lleva a cabo la fermentación son factores que se encargan de impedir el desarrollo de otros microorganismos.
Cuando se hace referencia a un proceso industrial, un aspecto prioritario es el económico: el proceso debe ser rentable. Por esta razón, se efectúa un estudio de los costos involucrados en el aislamiento del microorganismo, y se comparan con el rendimiento que se obtendrá del metabolito de interés; además, es importante tomar en cuenta la productividad de ese metabolito así como la estabilidad de la cepa seleccionada, pues no es recomendable seleccionar una de alto rendimiento si puede perder sus características fácilmente.
16 M ic r o b io lo g ía in d u s t r ia l / A lic ia H ern á n d ez
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Las técnicas para obtener cultivos puros
Se ha desarrollado una serie de técnicas mi- crobiológicas para aislar microorganismos y obtener cultivos puros. A continuación, se mencionan tres de ellas:
• Siembra en placas de Petri por rayado
• Siembra en placa vertida
• Diluciones en serie.
La siembra en placas de Petri por rayado
Esta técnica se basa en la separación de los microorganismos al dispersar -por rayado sobre agar- una muestra que los contiene, según se muestra en la Figura 2.1.a. Para llevar a cabo la disgregación, se recoge una porción de la muestra con un asa bacteriológica y se raya sobre una sección de una placa de Petri; luego, se repite el rayado en tres secciones más de la placa. En cada rayado, se toma la muestra de la sección anterior, por lo que se logra una disminución gradual en la cantidad de microorganismos.
Los microorganismos dispersos en la placa se incuban a la temperatura y el tiempo recomendados; al crecer, formarán colonias separadas unas de otras en alguna de las secciones del rayado, como se puede observar en la sección 4 de la Figura 2.1.b. En esa figura, cada punto representa una colonia.
a) b)
Figura 2.1 : La siembra en placa de Petri por rayado.a) El rayado de placas con asa microbiològica, b) El crecimiento y la separación de las colonias.
Posteriormente, se toma una muestra de una de las colonias separadas y se repite el procedimiento, con la finalidad de confirmar la presencia de un solo tipo de microorganismos.
La siembra en placa vertida
En esta técnica se hacen crecer los microorganismos en tubos, cada uno con una concentración diferente, y se evalúa el tubo en el que las colonias crecieron en forma separada.
Como primer paso, se preparan suspensiones de la muestra en diversas diluciones y se coloca cada una en un tubo con agar fundido, como se indica en la Figura 2.2.a. Luego, se mezcla homogéneamente el contenido (el agar y el inóculo) de cada tubo y se vierte (no se siembra por rayado) en una placa de Petri, según se muestra en la Figura 2.2.b.
Se incuba cada placa, a la temperatura y el tiempo recomendados, y se selecciona la dilución en la que se haya obtenido una mayor separación de las colonias.
Por último, de esta dilución, se toma una muestra de una de las colonias y se siembra en una placa de Petri, por rayado, para confirmar si el cultivo está puro. La confirmación de pureza se puede realizar por observación a simple vista (colonias de igual morfología), por observación microscópica o mediante pruebas bioquímicas.
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Fígura 2.2: La siembra en placa vertida, a) Lasdiluciones de la muestra, b) El vertido del cullivo en una placa de Petri.
cvttutoí: EL MANEJO DE LOS CULTIVOS MICROBIOLÓGICOS ___________ 17
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Las diluciones en serie
Esta técnica se aplica cuando se conoce de antemano que el microorganismo de interés se encuentra en mayor cantidad que los demás. Para llevarla a cabo, se preparan varias diluciones de la muestra y se incuban en e! medio de cultivo adecuado para que crezca este microorganismo; así, se logra que en alguna de las diluciones solo él aparezca. Es necesario reconfirmar su presencia, utilizando el método de siembra en placa de Petri por rayado.
El m a n t e n im ie n t o
DE LOS MICROORGANISMOS
El mantenimiento de los microorganismos consiste en la conservación de ellos y de sus características por largos periodos. A través de los años, se han desarrollado varios métodos de conservación de microorganismos, que se basan en la reducción de su actividad metabòlica. La selección del método de conservación depende de varios factores, entre los que se pueden mencionar:
• La susceptibilidad del microorganismo (al proceso de conservación)
• La facilidad con la que puedan ocurrir cambios genéticos en la cepa
• El número de muestras por conservar
• El costo del proceso de conservación
• El periodo durante el cual se desea conservar el microorganismo
• El tipo de equipo disponible
• La probabilidad de contaminación que exista en el medio.
En muchos países, hay entidades que tienen colecciones de cultivos y se dedican al mantenimiento de los microorganismos (brindan una garantía de sus características). Muchas de estas colecciones son reconocidas intema- cionalmente; por medio de ellas, se puede adquirir la mayoría de los microorganismos existentes. En el Cuadro 2.1, se indican algunas de estas instituciones. Cuando se adquiere un microorganismo de una colección, viene identificado con las abreviaturas de la colección de la que proviene; por ejemplo, el microorganismo Phanerochaetc chn/sosporium CDBB H-298 pertenece a la colección de cultivos del Departamento de Biotecnología y Bioingeniería del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV) del Instituto Politécnico Nacional, además, está identificado dentro de la colección como la cepa H-298.
Cuadro 2.1
ALGUNAS COLECCIONES MICROBIANAS EN EL MUNDO
Nombre País Microorganismo
American Type Culture Collection (ATCQ USA Bacterias, acfinornicetos, hongos, algas, protozoarios
Colección (ie Cultivos del Departamento de Biotecnología y Bioingeniería del CINVESTAV (CDBB)
México Mongos, bacterias
National Collection of Industrial Bacteria (NCIB)
Escocia Bacterias
Instituto Pasteur Francia Bacterias
18 M ic r o b io lo g ía in d u s t r ia l / A l ig a H er n á n d ez
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Existen varios métodos para la conservación de los microorganismos; todos buscan que las células sufran el daño mínimo y se preserven por el máximo período posible. Los cuatro procedimientos generales son:
• La resiembra o el subcultivo
• La desecación
• La congelación
• La liofilización.
La resiembra o el subcultivo
Este método consiste en sembrar el microorganismo en determinado medio de cultivo y, luego, conservarlo en refrigeración. El procedimiento se debe repetir cada cierto tiempo. Se lleva a cabo en tubos de ensayo con agar indinado (slants), o en botellas especiales que contienen un medio de cultivo sólido y estéril (botellas de Roux). Este equipo se muestra en la Figura 2.3. El tubo de ensayo se mantiene en posición inclinada hasta que el medio de cultivo solidifique, con lo cual se logra una mayor superficie para el crecimiento del microorganismo; en el caso de las botellas, estas se mantienen en forma horizontal. El microorganismo se inocula en el medio sólido y se deja crecer durante varios días; luego, el cultivo se refrigera. Una de las desventajas del método es que los tubos guardados en refrigeración se deshidratan y, entonces, el microorganismo muere; por esta razón, es necesario repetir el procedimiento periódicamente: al menos cada seis meses, según señalan Parton y Willis (1990).
La resiembra es uno de los métodos de mantenimiento de cultivos más simples y no requiere equipo especializado y costoso; sin embargo, es un método caro, ya que necesita mucha mano de obra, por la periodicidad de las re
siembras. Sus principales desventajas radican en la alta probabilidad de que el cultivo se contamine durante las resiembras y en que el microorganismo sufra cambios genéticos y bioquímicos durante el proceso.
a) b)
Fig u r a 2 .3 : El equipo utilizado para resiembra.a) Los tubos con agar indinado (slants).b) Las botellas para resiembra (deRoux).
Una variación del método consiste en adicionar aceite mineral estéril al tubo o la botella con el microorganismo en crecimiento, de tal forma que cubra el agar hasta una altura de un centímetro y medio, para reducir el metabolismo del microorganismo y la deshidrata- ción del medio de cultivo. La ventaja de esta modificación es que se puede obtener un subcultivo sin perder el cultivo inicial; sin embargo, también se presentan problemas por cambios en las características de los microorganismos, tales como la pérdida de su capacidad de esporulación (reproducción) o de su actividad bioquímica.
La desecación
El método consiste en remover el agua celular e impedir la rehidratación de las células de los microorganismos. Para llevarlo a cabo se inocula una muestra de cultivo en tierra húmeda estéril (material de soporte), se espera hasta que haya crecimiento (varios días) y, luego, se seca con aire o al vacío. Después, el cultivo se guarda en una atmósfera seca o en refrigeración. Otros materiales de soporte pueden ser sílica gel, discos de gelatina y tiras de papel.
C««Mo* EL MANEJO DE LOS CULTIVOS MICROBIOLÓGICOS 19
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Entre las ventajas del método se pueden mencionar que no necesita equipo especial ni mucho personal para ejecutarlo y, si no sufre daños durante la desecación, el cultivo puede continuar viable por muchos años; Parton y Willis (1990) reportan una viabilidad del 50% a los veinte años de conservación. Este método es recomendable para las especies que al ser desecadas esporulan (se encierran para protegerse), ya que se conservan por más tiempo que las que no esporulan.
La congelación
La congelación es, al igual que la liofilización, uno de los métodos de mantenimiento más utilizados, porque se logran los periodos de conservación más largos (superiores a los veinte años, cuando se utiliza nitrógeno líquido).
En el proceso de congelación, lo más importante es controlar la velocidad de disminución de la temperatura, porque, si es muy lenta, los cristales que se forman a partir del líquido contenido en las células serán muy grandes y pueden romper la membrana celular.
Existen algunas sustancias, como el dimetil sulfóxido (DMSO) y el glicerol, que ayudan a proteger los microorganismos durante el proceso de congelación; se conocen como criopro- tectores. Estas sustancias tienen un bajo punto de congelación (menor a 0 *’C), por lo que reducen la velocidad de congelación de los componentes de la célula microbiana.
El método de congelación no necesita mucha mano de obra, pero el costo del equipo y del mantenimiento de los cultivos es alto. Si se presenta una falla mecánica o un corte en el suministro eléctrico, y no se han tomado las previsiones necesarias, el material se puede perder. Durante el transporte, el cultivo debe permanecer congelado (implica tener equipo
de congelación que pueda ser transportado) o se debe hacer crecer en un tubo inclinado, lo cual también representa una desventaja, por los problemas que conlleva la resiembra.
El proceso de congelación se puede clasificar, con base en la temperatura en la que se lleva a cabo, en:
• Congelación ordinaria
• Congelación ultrafría
• Congelación con nitrógeno líquido.
La congelación ordinaria
Durante la congelación ordinaria se mantienen temperaturas de -5 a -20 °C; en este intervalo, los microorganismos permanecen viables (es decir, una vez descongelados, los microorganismos conservan todas sus funciones y características) por uno o dos años (Drew,
im ). El método no se recomienda para periodos de almacenamiento mayores.
La congelación ultrafría
El cultivo por congelar se recoge directamente por centrifugación de una suspensión de microorganismos, o se prepara raspando una muestra de la suspensión en un tubo con las condiciones adecuadas para su crecimiento. Luego, el cultivo se suspende en un medio con glicerol o DMSO. La suspensión se coloca en tubos especiales. La congelación ultrafría se efectúa en congeladores mecánicos, a temperaturas entre -50 y -80 °C.
Como se mencionó, debe controlarse la velocidad de congelación de los microorganismos para mantener su viabilidad y que la cepa no sufra daños irreparables. Dalby (1983) recomienda congelarlos a una velocidad de 1 a 2 'XZ/min hasta llegar a -30 "C; después de al
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canzar esta temperatura, se acelera el proceso de congelación hasta lograr la temperatura deseada. Drew (1986) ha observado que las cepas se conservan bien, durante cinco años, a -60 °C.
La congelación con nitrógeno líquido
El método de conservación por congelación más recomendado es el que utiliza nitrógeno líquido, porque se logran temperaturas de —150 a —196 C (Stanbury y Whitaker, 1987). La velo- ddad de congelación debe ser 1 a 2 “C/min hasta alcanzar una temperatura de -30 °C, luego, 1 °C/min hasta -56 °C. Después, se colocan las muestras directamente en nitrógeno líquido para acelerar el proceso de congelación.
El metabolismo celular se detiene completamente a partir de los -130 "C; por esta razón, si el microorganismo soporta el proceso de congelación, su viabilidad permanece durante muchos años. Una de las principales ventajas de este método es que son innecesarias las resiembras, por lo que se reducen al mínimo los riesgos de contaminación y los cambios genéticos y bioquímicos en el microorganismo. Sin embargo, el costo del equipo requerido es alto y es necesario mantener un suministro constante de nitrógeno, lo que encarece el proceso. Además, es imprescindible tomar previsiones en cuanto a fallas mecánicas y eléctricas para evitar perder toda una colección.
La liofilización
La liofilización es la remoción de agua de las células congeladas (sólidas) a presión reducida (sublimación). Para llevar a cabo este procedimiento, se toma una muestra del cultivo por conservar y se suspende en algún medio con crioprotectores, como leche, suero o gluta- mato de sodio. Se transfieren unas gotas de la muestra a una ampolla, se congela y se some
te a alto vado hasta que el agua celular se sublima (pasa del estado sólido al gaseoso). Una vez liofilizada la cepa, la ampolla que la contiene se sella para impedir que el microorganismo se altere por el contacto con el medio ambiente.
Es uno de los métodos más efectivos para la conservación, pues los microorganismos pueden mantener su viabilidad por veinte años o más. Una de las principales ventajas de este método es que, una vez liofilizado, el cultivo no necesita tratamientos especiales -solo se debe mantener en refrigeradón-, lo que disminuye los costos de operación y facilita enormemente el transporte. Otra ventaja es que no requiere resiembras, lo que contribuye a evitar la contaminación y los cambios genéticos y bioquímicos en las células.
La inversión inidal en la adquisición del equipo es alta; sin embargo, los costos totales son menores que los de la congeladón en nitrógeno líquido. Este es el método que selecdonan muchas instituciones para conservar las colecciones de cultivos.
LOS REQUERIMIENTOS NUTRICIONALES
Los microorganismos, como cualquier ser vivo, requieren una serie de sustandas que les permitan realizar sus actividades metabólicas; básicamente, necesitan fuentes de:
• Agua
• Energía
• Carbono
• Nitrógeno
• Minerales
• Vitaminas
• Oxígeno (en el caso de los aerobios).
Giím o I: EL MANEJO DE LOS CULTIVOS MICROBIOLÓGICOS 2\_Copyrighted materia!
La fuente de energia
Los microorganismos tienen diferentes formas de obtener energía y, con base en esa característica, se pueden clasificar en fotótrofos y quimiótrofos. Los fotótrofos obtienen la energía de la luz o radiación solar. Los quimiótrofos obtienen la energía de un compuesto químico y se dividen en litótrofos (si el compuesto químico es inorgánico) y organótrofos (si el compuesto es orgánico). Esta clasificación se puede observar en el Esquema 2.1.
Obterxrión de energía _________________ I_________________
Fototrófos Quimiótrofosr~— --------1
Litótrofos Organótrofos
Esquem a 2 .1 : La c la s if ica c ió n de los m icroorgan ism os,
con base en la fuente de energ ía que
u tilizan .
La mayoría de los microorganismos de importancia industrial son organótrofos y aprovechan los compuestos de carbono (carbohidratos, lípi- dos y proteínas) como fuente de energía.
La fuente de carbono
El constituyente principal de los microorganismos es el carbono, de ahí que no pueden prescindir de la fuente de este elemento; la más empleada la constituyen los carbohidratos, que además son fuente de oxígeno, hidrógeno y energía metabòlica. Los carbohidratos participan en la biosíntesis del material celular así como en la formación de los productos o metabolitos.
Los microorganismos se pueden clasificar, con base en su capacidad de asimilación de la fuente de carbono, en:
Autótrofos: El C 02 es su única fuente de carbono.
Heterótrofos: Los compuestos orgánicos constituyen su fuente de carbono. Son los de mayor importancia comercial.
Las fuentes de carbono más comunes incluyen melazas de caña y de remolacha, granos de cereales, almidón, glucosa, sacarosa y lactosa. La sacarosa, a su vez, se obtiene del azúcar de caña o de remolacha. Los aceites comerciales (de maíz, soya, algodón y oliva) también se emplean y, además de su función como fuente de carbono, pueden servir como antiespumantes. Otras fuentes de carbono son los alcoholes, los ácidos orgánicos simples y los alcanos.
La fuente de carbono se elige según una serie de aspectos, entre los que se encuentran:
• El precio de venta del producto final.
• La presencia de impurezas en la fuente de carbono y el grado de facilidad con que se logran eliminar.
• La legislación gubernamental sobre el tema.
• El método de esterilización empleado, pues afecta la naturaleza de ciertas sustancias. Por ejemplo, los azúcares pueden reaccionar con las sales de amonio y los aminoácidos, formando compuestos que inhiben el crecimiento de los microorganismos; por esta razón se recomienda esterilizarlos por separado.
• La velocidad de metabolización de la fuente de carbono. Stanbury y Whitaker (1987, 79) indican que "la velocidad con laque se metaboliza la fuente de carbono puede influenciar la formación de bioma- sa y la producción de metabolitos primarios y secundarios. Si hay azúcares fácil
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mente metabolizables se da un rápido crecimiento de los microorganismos, pero hay baja productividad de metabolitos secundarios."
La fuente de nitrógeno
Después del carbono y del oxígeno, el nitrógeno es el elemento más abundante en la composición de los microorganismos. Algunos son capaces de utilizar el nitrógeno de origen orgánico (el que se encuentra en los aminoácidos, las proteínas, la urea, las pirimidinas y las purinas), mientras que otros utilizan el nitrógeno inorgánico (el del gas amonio, las sales
de amonio, los nitratos, los nitritos y el nitrógeno molecular).
A escala industrial se utilizan fuentes complejas de nitrógeno, como por ejemplo: el licor de maceración del maíz, la harina de soya, los frijoles de soya, la harina de maíz, la harina de semillas de algodón (nombre comercial: Phar- mamedia y Proflo), el hidrolizado de caseína, los desechos de matadero, la harina de pescado y el extracto de levadura. El medio de cultivo comercial conocido como Pharmamedia es no solo una fuente de nitrógeno, sino de cantidades significativas de carbohidratos y otros compuestos. Su composición se puede observar en el Cuadro 2.2.
Cuadro 2.2
LA COMPOSICIÓN PROMEDIO DE PHARMAMEDIA
Componente(1)
Cantidad(2)
Sólidos totales 98.00% 99,00%Carbohidratos 24.10% 24,13%Proteína 56,00% 59,20%Crasa 5.50% 4,02%Ceniza — 6,71%Fibra — 2,55%Humedad — 1,00%Vitaminas
Ácido ascorbico 45,6 mjykg 32,00 mg/kgTiamina 15,7 mg/kg 3,99 mg/kgRiboflavina 10,8 mg/kg 4,82 mg/kgNiacina 59,7 mg/kg 83,30 mgltgÁcido pantoténico 43,2 mg/kg 12,40 mg/kgColina 3240,0 mg/kg 3270,00 mg/kgPiridoxina 11,9 mg/kg 16,40 mg/kgBiotina 0,4 mg/kg 1,52 mg/kgÁcido fólico 1,8 mg/kg 1,59 mg/kgInositol 10 800,0 mg/kg 10 800,00 mg/kg
MineralesCalcio 2360,0 ppm 2530,00 ppmCloro 486,0 ppm 685,00 ppmFósforo 12 200,0 ppm 13 100,00 ppmHierro 103,0 ppm 94,00ppmSulfato 780,0 ppm 18 000,00 ppmMagnesio 6800,0 ppm 7360,00 ppmPotasio 14 300,0 ppm 17 200,00 ppmSodio — 31,00 ppm
Fuentes: (1) Stanbury y Whitaker (1987, 81). (2) Zabriskie et al. (1988, 14).
OHM0 2: EL MANEJO DE LOS CULTIVOS MICROBIOLÓGICOS 23
Copyrighted matc':i '
Las fuentes de otros elementos
Además de carbono y nitrógeno, los microorganismos requieren otros elementos para subsistir, aunque en menor cantidad; entre ellos se hallan el azufre, el fósforo, el potasio, el magnesio, el calcio y el cloro. El cobalto, el cobre, el hierro, el manganeso, el molibdeno y el zinc, también son esenciales, pero generalmente se encuentran presentes como impurezas en otros ingredientes.
Los fosfatos son la principal fuente de fósforo para la nutrición microbiana. Estos compuestos son reguladores del pH (buffers); se agregan en exceso para que no se agoten durante el proceso. El fósforo contribuye en el crecimiento celular y es un importante componente estructural de la pared celular de las bacterias Gram positivas.
El azufre, presente en algunas coenzimas, es necesario en la síntesis de proteínas. El sulfato de amonio es uno de los compuestos más utilizados en la formulación de medios de cultivo, ya que sirve como fuente de azufre y de nitrógeno.
Los factores de crecimiento son moléculas que forman los bloques de construcción de los componentes celulares en el microorganismo. Son necesarios en la estimulación del crecimiento; se deben adicionar al medio de cultivo, ya que no todos los microorganismos pueden sintetizarlos. Se clasifican en tres grupos: vitaminas, aminoácidos y factores misceláneos de crecimiento. El Cuadro 2.3 contiene algunos ejemplos de estos grupos.
LOS REQUERIMIENTOS AMBIENTALES
Además de los requerimientos nutricionales, el medio ambiente en el que crece el microorganismo va a determinar su adecuado desarrollo. El pH y la temperatura de cultivo son los parámetros ambientales más importantes cuando se pretende utilizar un microorganismo industrialmente.
En el Capítulo III del libro Introducción a la microbiología, de García (1995), se explican detalladamente los conceptos importantes de este apartado, por lo que se recomienda estudiarlo.
Cuadro 2.3
ALGUNOS FACTORES DE CRECIMIENTO REQUERIDOS POR LOS MICROORGANISMOS
Vitaminas(1)
Aminoácidos(1 ) _________________
Factores misceláneos
Tiamina Arginina Ácidos grasos
Biotina Lisina Tween 80 (•)
Ácido nicotínico Triptófano Esteróles
Riboflavina Metionina
Piridoxal Cistina
Ácido pantoténico Tirosina
Ácido lipoico Fenilalanina
Ácido p-aminobenzoico Acido glutámico
• Tw«»n 80: polkw ietilerYsoíbiüno m onooleato
Fuentes: Adaptado de (1) Greasham (1993) y (2) Dunn (1985).
24 M ic r o b io lo g ía in d u s t r ia l / A lic ia H ern á n d ez
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La preparac ión de m e d io s de c u lt iv o El medio sintético
Los medios de cultivo utilizados intervienen en el éxito o fracaso de un proceso industrial. La selección del medio de cultivo depende, principalmente, del tipo de microorganismo empleado y del producto que se quiera obtener. Por ejemplo, si lo que se desea es producir bioma- sa, se debe emplear un medio de cultivo que incentive la reproducción del microorganismo, mientras que si el objetivo del proceso de fermentación es la producción de metabolitos, el medio de cultivo debe tener los componentes que promuevan su producción. Además, es importante trabajar con un medio de cultivo que sea barato y de fácil preparación.
Los tipos de medios de cultivos
Según se mencionó, los medios de cultivo tienen distintas funciones y, con base en ellas, es posible clasificarlos en:
• Selectivos
• Diferenciales
• Selectivo-diferenciales
• De mantenimiento.
Las diferencias entre estos medios de cultivo se deben estudiar en el Capítulo III del libro Introducción a la microbiología (García, 1995).
Existe otra división de los medios de cultivo, de acuerdo con el tipo de componentes presentes en ellos; es la que se utiliza con más frecuencia en los procesos industriales. En esta clasificación, se identifican dos tipos de medios de cultivo: sintéticos (o definidos) y complejos (o naturales).
Los medios sintéticos se preparan a partir de compuestos puros en proporciones definidas. Un ejemplo de la composición de un medio de cultivo de este tipo se incluye en el Cuadro 2.4. Su mayor aplicación se genera en el área de la investigación, porque es posible determinar los requisitos específicos para el crecimiento de los microorganismos o la formación de un determinado producto.
Estos medios de cultivo son reproducibles y fáciles de manejar, producen poca espuma, son translúcidos y permiten una relativa facilidad en la recuperación de los productos; sin embargo, su costo es elevado.
Cuadro 2.4
LA COMPOSICIÓN DE UN MEDIO SINTÉTICO(Medio Davis)
Componente Concentración
<9/0Fuente de energía 2,0
k , h po 4 7,0
k h 2po 4 3,0
MgS04 • 7H20 0,5
C6H6Na207 • 3H20 0,5
<n h 4>2so 4 1.0
Fuente: Zabriskie et al. (1988, 1).
El medio complejo
Los medios complejos se preparan a partir de ingredientes de origen natural cuya composición química no está del todo definida. Una de las principales desventajas que presentan estos medios es que su composición varía con el tiempo, el lugar y la forma de almacenamiento. Ejemplos de ellos son: extractos de carne, melazas, harina de semilla de algodón, harina de soya y agua de maceración de maíz. A veces, es necesario suplementar este tipo de
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medios de cultivo con algún otro compuesto, de acuerdo con los requerimientos del microorganismo o del metabolito por producir. Generalmente, los componentes de los medios naturales son subproductos de alguna industria, por lo que son mucho más baratos que los medios sintéticos y se utilizan en la mayoría de los procesos industriales. En el Cuadro 2.5, se desglosa la composición de un medio complejo, utilizado para la producción de penicilina.
Cuadro 2.5
LA COMPOSICIÓN DE UN MEDIO COM PIEIO (Rara la producción de penicilina)
Componente Concentración(% )
Lactosa (C,2H?2O n ) 2,0
Pharmamedía 1.0
CaCOj 0,5
k h 2po 4 0,3
(NH4)2S04 0,5
MgS04 . 7H ,0 0,02
Aceite de soya 0,2
Propi lengl icol (C,H80 2) 0,025
Fuente: Zabriskie el al. (1988,2).
La concentración final de algunos microorganismos depende del tipo de medio de cultivo empleado. Zabriskie et al. (1988) señala el caso de la levadura Saccharomi/ces cerevisiae: en un medio sintético que contiene glucosa, se obtiene un rendimiento de 10 a 20 g/¿ de biomasa, mientras que, en un medio complejo con melazas de caña o remolacha, el rendimiento es de 60 a 100 g/f de biomasa; el aumento en el rendimiento así como el bajo precio de las melazas son factores muy atractivos para utilizarlo.
En la formulación de medios de cultivo se deben tomar en cuenta varios aspectos, entre los que se pueden mencionar: el rendimiento del producto (o la biomasa) por gramo de sustrato, la concentración del producto, la velocidad de formación del producto y el rendimiento de productos indeseables. Además, debe ser barato y de calidad adecuada, estar disponible durante todo el año y no ocasionar problemas serios en el área de producción, tales como dificultad en la agitación, en la aireación, en la extracción, en la purificación y en el tratamiento de los desechos líquidos.
Muchos medios de cultivo han sido prescritos empíricamente; sin embargo, en la actualidad, la mayoría de ellos se formula con base en la composición elemental del microorganismo de interés. El Cuadro 2.6 muestra la composición elemental de los principales grupos de microorganismos.
Cuadro 2.6
LA COMPOSICIÓN PROMEDIO TÍPICA DE LOS MICROORGANISMOS
La formulación de medios de cultivo
Peso seco (% p/v)Componente Bacteria. levadura. Hongo, imoho.1
Carbono 48.00 48,00 48,00Nitrógeno 12,50 7,50 6,00Proteínas 55,00 40,00 32,00Carbohidratos 9,00 38,00 49,00Lípidos 7,00 8,00 8,00Ácidos nucleicos 23,00 8,00 5,00Fósforo 2,50 2,50 1,70Azufre 0,60 0,30 0,12Potasio 2,75 1,40 2,50Magnesio 0,30 0,20 0,30Sodio 0,75 0,30 0,05Calcio 0,55 0,75 0,20Hierro 0,11 0,15 0,30Cobre 0,01 ------- 0,006Manganeso 0,005 ------- 0,004Molibdeno — — 0,0002
Fuente: Adaptado de Zabriskie et al. (1988).
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El microorganismo se hace crecer en un medio de composición típica promedio y, con base en los resultados, se calculan los rendimientos de crecimiento y de producción de metabolitos. A partir de estos datos y la composición elemental, se plantea una ecuación estequiomé- trica que permita ir optimizando el medio de cultivo. La ecuación en forma generalizada, reportada por Stanbury y Whitaker (1987), es la siguiente:
Carbono + Nitrógeno 4- Energía + Otros requisitos ,‘-»Biomasa + Productos + C 02 + H¡,0 + Calor
En un proceso industrial, inicialmente, se formula un medio de cultivo sintético y, una vez definidos los requerimientos nutricionales del microorganismo, el medio se sustituye por uno complejo que realice la misma función.
El medio de cultivo utilizado durante todo el proceso industrial no es necesariamente el mismo. Por lo general, el medio usado para la preparación del inoculo es diferente al utilizado en el proceso de producción, porque cumplen diferentes funciones: cuando se prepara el inoculo, se busca que el microorganismo salga de su etapa de "bajo metabolismo" y se adapte a las condiciones de cultivo, para lo cual se usa un medio específico; mientras que, durante el proceso de producción, la composición del cultivo depende tanto del microorganismo como del producto que se quiera obtener.
En algunos casos, se reduce el abastecimiento de uno de los nutrimentos necesarios para el metabolismo normal del microorganismo, con el fin de que produzca un determ inado meta- bolito. Por ejemplo, según manifiesta Butlin (1967), Aspergillus niger puede ser inducido a elaborar ácido cítrico, si se le restringe el suministro de hierro, cobre, manganeso y fosfato; así, se limita la reproducción del hongo y se desvía su metabolismo hacia el objetivo deseado.
La preparación del inóculo implica el desarrollo de una población de microorganismos, desde su estado de conservación hasta obtener una suspensión de microorganismos viables y aptos para reproducirse y producir metabolitos a escala industrial.
Los métodos para la preparación del inóculo tienen dos finalidades: obtener el máximo de viabilidad de los microorganismos así como evitar que pierdan las características para producir los metabolitos de interés.
Las etapas para preparar el inóculo
El procedimiento para preparar el inóculo incluye tres etapas: la recuperación de la cepa, el crecimiento del microorganismo en un medio de cultivo sólido y el crecimiento del microorganismo en un medio de cultivo líquido; estas actividades se describen a continuación.
La recuperación de la cepa
La forma de recuperar la cepa depende del método de conservación utilizado; por ejemplo:
• Si el cultivo está liofilizado, se le adiciona agua destilada estéril para rehidratar las células.
• Si el cultivo está congelado, se recomienda poner el recipiente que lo contiene en un baño de agua a 37 °C para que la descongelación sea lo más rápida posible.
• Si el cultivo está en tubos de agar inclinado, se adiciona agua destilada estéril y se raspa la superficie con ayuda de un asa microbiológica.
• Si el cultivo está en una botella de Roux, se le adiciona agua destilada estéril y unas perlitas de vidrio estériles y se agita sua
La preparac ión del in ó c u l o
Cwf»uoj: EL MANEJO DE LOS CULTIVOS MICROBIOLÓGICOS ___________2J_Copyrighted material
vemente con el fin de suspender los microorganismos.
• Si el cultivo está desecado, se le adiciona agua destilada estéril para rehidratar las células.
El crecimiento en un medio de cultivo sólido
Una vez preparada la suspensión de microorganismos, se toma una asada (muestra) y se raya en un medio de cultivo sólido en el interior de tubos de agar inclinado. Se incuba a la temperatura y el tiempo adecuados.
El crecimiento en un medio de cultivo líquido
Se toma una asada del crecimiento del microorganismo en el medio de cultivo sólido y se introduce en matraces erlenmeyers de 100 ó 250 m¿ de capacidad, que contienen un medio de cultivo líquido (en una cantidad que varía del 10 al 20% de su capacidad). Luego, se esterilizan y se incuban, de acuerdo con los requerimientos ambientales del microorganismo.
Los aspectos por considerar en la preparación del inoculo
En la preparación del inoculo se deben tomar en cuenta dos aspectos importantes:
• La cantidad de inoculo requerida para el proceso de fermentación
• La concentración de los microorganismos en el inoculo.
La cantidad de inoculo
La cantidad de inoculo que se prepara y se agrega, en la mayoría de los casos, es el 10% del volumen total de trabajo: si se va a trabajar con un volumen final de un litro, se debe preparar cien mililitros de inoculo. En el caso de que el volumen requerido sea muy grande, el inoculo se debe preparar en varias etapas; por ejemplo, si el volumen de producción es de un millón de litros, el inoculo que se debe sembrar en el caldo de fermentación es de cien mil litros y, para su obtención, la preparación se hace por etapas. A veces, se necesitan seis o siete etapas para lograr el volumen de inoculo requerido: las dos primeras etapas, generalmente, se realizan en matraces erlenmeversJy las demás en termentadores con volúmenes cada vez mayores.J
Durante la preparación del inoculo, se recomienda mantener condiciones estrictas de higiene y esterilidad en los equipos así como hacer varias pruebas de pureza, porque el cultivo se puede contaminar en el paso de una etapa a otra.
La concentración de microorganismos
La concentración de microorganismos es un parámetro vital que se debe conocer en un proceso de fermentación, pues suministra datos no solo relacionados con la curva de crecimiento del microorganismo, sino con la cantidad de microorganismos con la que se debe iniciar el proceso. Cuando el producto deseado es la biomasa, la concentración de microorganismos representa la eficiencia del proceso. Si el interés va dirigido hacia los metabolitos, el mismo parámetro (la concentración de microorganismos) es una medida indirecta de su producción. Existen varios métodos para me
26 M ic r o b io lo g ía in d u s t r ia l / A lic ia H er n á n d ez
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dir la concentración de microorganismos, los más comunes son:
• La determinación del número de células por unidad de área, Se aplica cuando los microorganismos son unicelulares (levaduras o bacterias). Se realiza por conteo, utilizando un microscopio.
• La determinación de la masa celular. Seemplea principalmente para microorganismos que crecen en forma micelial. La masa celular se determina por peso seco. En esta técnica, se filtra un volumen determinado del medio con el microorganismo, se seca el residuo que queda en el papel de filtro hasta obtener un peso constante y se calcula el peso seco por unidad de volumen.
• La determinación de la densidad celular.Cuando se dirige un haz de luz hacia un cultivo con microorganismos, estos desvían el haz parcialmente, según su concentración en el medio. La cantidad de luz que logra atravesar y llegar hasta un detector se puede relacionar con el número de microorganismos presente. Para llevar a cabo esta determinación cuantitativamente, se utiliza la técnica de espectro- fotometría (generalmente, se emplean lon
gitudes de onda del orden de los seiscientos nanómetros). El procedimiento general incluye los siguientes pasos:
- Se preparan diferentes diluciones, a partir del medio con microorganismos.
- Se determina, por conteo, el número de microorganismos en cada una.
- Se mide la absorbanda de cada dilución.
- Se confecdona una curva de calibración (absorbanda vs. número de microorganismos), que se utiliza para averiguar el número de microorganismos por volumen de una muestra, a partir del valor de su absorbanda.
Este método, como el de la determinación del número de células, se aplica solo a microorganismos unicelulares, pues se debe hacer im conteo; sin embargo, tiene la ventaja de que una vez confeccionada la curva de calibración no se realizan más conteos.
Para obtener más información sobre la determinación espectrofotométrica de la concentración, se puede consultar el texto Análisis instrumental de Skoog y West (1987).
Oftrvioi: EL MANEJO DE LOS CULTIVOS MICROBIOLÓGICOS __________ 29Copyrighted materia!
EJERCICIOS DE AUTOEVALUACION
1. Mencione las etapas involucradas en el manejo de cultivos.
2. Comente las siguientes expresiones:
a) Solo los cultivos puros pueden ser utilizados en la industria.
b) En todos los procesos de fermentación es necesario mantener condiciones estrictas de esterilidad en el equipo de producción.
3. Describa las técnicas utilizadas para el aislamiento de microorganismos.
4. Cite dos ventajas y dos desventajas de cada uno de los métodos de conservación de microorganismos.
5. Mencione los grupos básicos de nutrimentos requeridos por los microorganismos, además del agua y el oxígeno (en el caso de los aerobios). Incluya tres ejemplos de cada uno de ellos.
6. Defina:
a) Microorganismo organótrofo heterótrofo.
b) Microorganismo fotótrofo.
c) Medio de cultivo sintético.
d) Medio de cultivo complejo.
7. Explique cuándo es importante la utilización de un medio de cultivo sintético y cuándo la de un medio de cultivo complejo.
8. ¿Qué factores se deben tomar en cuenta durante la formulación de medios?
9. ¿Se utiliza el mismo medio de cultivo durante todas las etapas involucradas en la producción de un metabolito? Explique.
10. Describa brevemente cada una de las etapas involucradas en la preparación de un inoculo.
31
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FUENTES Y LECTURAS RECOMENDADAS
BRENNAN, J., J. B u tle rs , N. CORWELL y A. Lilly. 1980. Las operaciones de la ingeniería de los alimentos. España: Acribia.
BUTLIN, K. 1967. "Aspects of microbiology". Cap. 1. En: Biochemical and biological engineering science. Vol. 1. New York: Academic Press.
Drew, S. 1986. "The Culture". En: Manual of industrial microbiology and biotechnology. U.S.A.: American Society for Microbiology.
Dunn, G. 1985. "Nutritional requirements of microorganisms". Cap. 7. En: Comprehensive Biotechnology. Vol. 1. Great Britain: Pergamon Press.
G a rc ía , V. 1995. Introducción a la microbiología. San José: EUNED.
GREASHAM, R. 1993. "Media for microbial fermentations". Cap 7. En: Biotechnology. Vol. 3 .2a ed. Weinheim: VCH.
Pakton, C. Y P. WILLIS. 1990. "Strain preservation, inoculum preparation and inoculum development". Cap 3. En: Fermentation: a practical approach. Oxford: University Press.
P e lc z a r , M.; R. Reid Y E. C h an . 1982. Microbiología. 4a ed. México: Me Graw Hill.
QUINTERO, R. 1993. Ingeniería bioquímica: teoría y aplicaciones. México: Alhambra Mexicana.
RHODES, A. Y D. F le tc h e r . 1969. Principios de microbiología industrial. España: Editorial Acribia.
S k o o g , D. Y D. W est. 1987. "Introducción a la cromatografía". Cap. 1. Análisis instrumental. México: Nueva Editorial Interamericana.
S taísíbury, P. Y A. WHITAKER. 1987. Principles of fermentation technology. Great Britain: Pergamon Press.
Zabriskje, D., W. A rnier, D. P hillips y P. A lban o. 1988. Traders guide to fermentation media formulation. U.S.A.: Trader's Protein.
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CAPÍTULO 3
LAS FERMENTACIONES
S u m a r io
El concepto de fermentación
La clasificación de los procesos de ferm entación
Las rutas bioquímicas de las fe rm entad o
Los fermentadores
Los sistemas de fermentación
La recuperación y la purificación de productos
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OBJETIVOS
a) Comparar los dos conceptos de fermentación: el bioquímico y el microbiología).
b) Explicar dos clasificaciones de los procesos de fermentación: con base en el tipo de producto final y en la presencia del oxígeno.
c) Citar algunos productos que se fabrican mediante fermentaciones.
d) Reconocer las rutas bioquímicas que participan en los procesos de fermentación y su importancia desde el punto de vista de la producción del compuesto de interés.
e) Describir un termentador y los tipos de termentadores más utilizados.
f) Explicar los dos sistemas de operación de los procesos de fermentación, el cultivo en lote y el cultivo continuo.
g| Explicar la importancia de conocer, antes de la fermentación, loscomportamientos del crecimiento y del metabolismo de los microorganismos
h) Citar los métodos más comunes para llevar a cabo los procesos derecuperación y purificación del producto de una fermentación; también, los criterios que determinan la escogencia de uno o varios de ellos en un proceso.
36 MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL / ALICIA HERNÁNDEZCopyrighted material
El con cepto de fermentación
Según se comentó en el Capítulo 1, los procesos fermentativos o fer mentaciones han sido utilizados y desarrollados por el hombre desde hace aproximadamente ocho mil años, a pesar de que no se conocía la existencia ni la influencia de los microorganismos en esos procesos.
La palabra fermentación proviene de una adaptación del término en latín fermentare, que significa "ebullir"; se utilizó porque describía la ebullición aparente que se observa durante la fabricación de vinos, a causa de la producción del dióxido de carbono, gas que se libera en forma de burbujas y provoca movimiento en el líquido.
El concepto de fermentación se ha ido modificando con el tiempo y, actualmente, abarca una gran cantidad de procesos y productos diversos: el término se aplica tanto a procesos muy simples como a los que se desarrollan a escala industrial -con controles bien establecidos y de gran utilidad para el hombre-, por lo que resulta difícil describirlo. Sin embargo, prevalecen dos criterios para su definición, uno bioquímico y otro microbiològico. Se explicará brevemente cada uno de estos conceptos y, si lo desea, puede ampliar el material en el Tema 3 del libro Biología aplicada de De Abate (1982).
El concepto bioquímico de fermentación
Desde el punto de vista bioquímico, una fermentación se define como un proceso mediante el cual las sustancias orgánicas (sustrato) sufren una serie de cambios químicos (reducciones y oxidaciones) que producen energía: al finalizar la fermentación, se presenta una acumulación de varios productos, unos más oxidados (aceptaron electrones) y otros más reducidos (donaron electrones) que el sustrato, con un
OffTuoj: LAS FERMENTACIONES ___________37
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balance total de energía positivo. Esta energía es utilizada en el metabolismo de los microorganismos.
Es importante mencionar que, en el concepto bioquímico, no se consideran como fermentaciones los procesos en los que participa el oxígeno. Cuando el aceptor final de electrones es el oxígeno molecular y no una sustancia orgánica, el proceso se conoce como respiración. El concepto bioquímico de fermentación es equivalente al de respiración celular anaerobia que utiliza De Abate (1982). A continuación se incluyen dos ejemplos de fermentaciones, desde el punto de vista bioquímico.
La producción, a partir de glucosa, de etanol y dióxido de carbono:
C*H| A - * C2H5OH + C02 + HjOGIucom tonol Dióxido .Agua
de CVbono
• La producción, a partir de glucosa, de lac- tato:
C*H, A -*• CjH503 + HjOGlucúfei LttUro Agua
El concepto microbiología) de fermentación
Desde el punto de vista microbiológico, en la actualidad, se entiende por fermentación aquel proceso en el que los microorganismos producen metabolitos o biomasa, a partir de la utilización de sustancias orgánicas, en ausencia o presencia de oxígeno. La descomposición de los sustratos es llevada a cabo por enzimas producidas por los microorganismos para tal finalidad. Se debe observar que el concepto llega a excluir a los microorganismos del proceso, siempre y cuando estén presentes sus enzimas; sin embargo, en estos casos, la velocidad de obtención y los rendimientos del producto son menores.
Para el microbiólogo industrial, no hay diferencia entre fermentación y respiración, pues en ambos procesos los microorganismos hi- drolizan un sustrato orgánico, ya sea en presencia o ausencia de oxígeno. Las conversiones mencionadas de glucosa en etanol, dióxido de carbono y agua, así como en lactato y agua son procesos de fertnetüación desde el concepto microbiología); pero, la conversión de glucosa -en presencia de oxígeno- en dióxido de carbono y agua, que se representa a continuación, también lo es.
C*Hi A + Oj - * C 02 + HjO
En el contexto de esta unidad didáctica, se utilizará la definición de fermentación en términos de la microbiología industrial.
Un proceso de fermentación, visto como un todo, está compuesto por tres etapas:
• La preparación del inoculo.
• La selección del medio de cultivo.
• La producción de la biomasa o de los metabolitos de interés.
Las dos primeras etapas fueron estudiadas en el Capítulo 2; la que se refiere al proceso de producción se desarrollará en este capítulo.
L a c l a s if ic a c ió n d e l o s
PROCESOS DE FERMENTACIÓN
La gran cantidad de procesos y productos que involucra el término fermentación hace difícil no solo la definición del concepto, sino también su clasificación. En general, se establecen divisiones con base en:
• El tipo de producto final por obtener
• La presencia o ausencia de oxígeno en el proceso.
38 M ic r o b io l o g ía in d u s t r ia l / A lig a H ern á n d ez
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Los productos finales de la fermentación
Desde el punto de vista comercial, las fermentaciones se pueden clasificar tomando en cuenta los productos que se obtendrán. Entre ellos, se pueden mencionar:
• Células microbianas (biomasa)
• Metabolitos microbianos (enzimas, etanol, butanol, acetona, ácidos orgánicos, etcétera).
En el Cuadro 3.1, se señalan algunos de los grupos más importantes de productos obtenidos por fermentación.
Cuadro 3.1
ALGUNOS COMPUESTOS DE INTERÉS COMERCIAL PRODUCIDOS POR FERMENTACIÓN
Tipo de sustancia Producios
Ácidos orgánicos Acético, cítrico, íumárico, glucónico,itacónico, láctico
Aminoácidos Lisina, metionína, tripudiano, vaiina
Alcoholes v solventes Acetona butanol, 2,3-butar»odíoltetanol, glicerol
Bacitracina, estreptomicina, neomicína, penicilina, tetraciclina
Corttsona, hidrocortisona, testosterona
Ácido ascòrbico, cianocobalamina, caroteno, riboflavina
Células de hongos, levaduras, bacterias y algas
Alcaloides, enzimas, insecticidas biológicos, metano, polisacáridos y saborizantes
Fuente; Quintero (1993, 22).
El oxígeno en el proceso de fermentación
También es posible clasificar las fermentaciones con base en la presencia o ausenda de oxígeno
molecular durante el proceso. De acuerdo con esta división, los procesos se denominan:
• Fermentadón aerobia
• Fermentación anaerobia.
En la fermentación aerobia, el aceptor final de electrones es el oxígeno; es imprescindible su presencia para el desarrollo del microorganismo y la producdón del compuesto deseado. En este tipo de procesos, se produce fundamentalmente biomasa, dióxido de carbono y agua.
En la fermentación anaerobia, el proceso de producción del metabolito de interés se desarrolla en ausencia de oxígeno; los productos finales son sustancias orgánicas, por ejemplo, áci- do láctico, ácido propiónico, ácido acético, butanol, etanol y acetona. Sin embargo, en la mayoría de las fermentaciones anaeróbicas, se requiere un poco de oxígeno al inicio del proceso para favorecer el crecimiento y la reproducción del microorganismo.
En los procesos anaerobios, los microorganismos producen mucho menos energía que en los aerobios y, para suplir sus necesidades de energía, metabolizan una mayor cantidad de azúcares; por consiguiente, elaboran más metabolitos. Entonces, a través de la cantidad de oxígeno, se puede manipular un proceso de fermentación para incrementar la producción de la sustancia de interés; por ejemplo, cuando se trabaja con un microorganismo facultativo (capaz de crecer en presencia o ausencia de oxígeno), como Saccharomyces cerroisiae, se obtienen diferentes productos mayoritarios, según la concentración de oxígeno en el medio: si es muy limitada, habrá una mayor producción de etanol, mientras que si es alta, se favorece la reproducción del microorganismo, o sea, la producción de biomasa.
Antibióticos
Esferoides
Vitaminas
Proteina unicelular (biomasa)
Otros
GtfftuoJ: LAS FERMENTACIONES __________ 39Copyrighted material
Las rutas bioquím icas
DE LAS FERMENTACIONES
Es de gran importancia conocer las rutas bioquímicas de degradación de los compuestos orgánicos, no solo para determinar cuáles pueden ser los productos que se obtendrán en una fermentación, sino por la posibilidad de manipular el proceso para producir otro tipo de sustancias. Existen varias rutas o secuencias bioquímicas de utilización y conversión de los azúcares; sin embargo, únicamente se mencionarán en forma general tres de ellas, consideradas como las de mayor relevancia desde el punto de vista industrial:
• La glucólisis
• El ciclo de Krebs
• La cadena respiratoria.
A continuación, se señalarán solo algunos aspectos de las dos primeras rutas, pues ya fueron estudiadas en otro curso. Puede consultar al respecto en los libros Biología aplicada (De Abate, 1982), Química orgánica y bioquímica (Burton
y Routh, 1977), o en o tro te x to d e b io q u ím ica .
La glucólisis
La glucólisis (vía de Embden-Meyerhof-Par- nas, EMP) representa la ruta principal del metabolismo de la molécula de glucosa. Es un
proceso anaeróbico y se divide en dos etapas. En la primera, la glucosa se fosforila (incorpora el fósforo) a expensas de una molécula de trifosfato de adenosina (ATP); una vez fosfori- lada, se rompe para formar gliceraldehído 3- fosfato. Durante la segunda etapa, el gliceraldehído 3-fosfato es convertido en piruvato por oxidación. El agente oxidante es el dinu- cleótido de nicotinamida y adenina (NAD). En esta etapa se producen, en total, ocho moléculas de ATP por cada una de gliceraldehído 3-fosfato. La secuencia de reacciones se observa en el Esquema 3.1.
El piruvato es el compuesto final de la glucólisis (por cada molécula de glucosa se forman dos moléculas de piruvato) y se considera como la molécula "clave" para muchos tipos de fermentación, pues, a partir de ella, se produce una gran cantidad de compuestos de acuerdo con el microorganismo que se utilice y de las condiciones ambientales en las que se lleve a cabo el proceso. Algunos de los productos que pueden ser formados del piruvato se observan en la Figura 3.1.
Después de la obtención del piruvato, si las condiciones siguen siendo anaeróbicas, se pueden producir compuestos tales como el etanol y el ácido láctico. Sin embargo, en condiciones aeróbicas, la ruta bioquímica se desvía hacia el ciclo de Krebs.
Ácido láctico
Figura 3.1: Algunos productos que se pueden formar a partir del piruvato.
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ciclo, se producen ocho átomos de hidrógeno (a partir de los intermediarios) que son transferidos a la cadena respiratoria, transportadora de electrones: los electrones fluyen dentro de esta cadena, a causa de una serie de reacciones enzimáticas (inician en el compuesto NADH y finalizan en el oxígeno), y originan un gran cambio de energía libre que es utilizada para formar varias moléculas de ATP.
En el ciclo de Krebs, se producen quince moléculas de ATP (doce en las reacciones cíclicas y tres en la formación del acetil CoA). Como cada molécula de glucosa proporciona dos de piruvato, se liberan por medio del ciclo de
Krebs treinta moléculas de ATP. En total, una molécula de glucosa que se oxida por ambas rutas libera treinta y ocho moléculas de ATP.
LOS FERMENTADORES
Un ferment ador, también conocido como reactor o biorreactor, es un recipiente donde se lleva a cabo el proceso de fermentación. Su función principal es mantener el medio y el microorganismo en las condiciones adecuadas para lograr la mayor producción de los compuestos de interés. Es deseable que un termentador cumpla con una serie de requisitos, entre los que se encuentran:
5ATP
Piruvato
Acetil-CoA
2ATP
Esq u em a 3.2: El c ic lo de Krebs.Fuente: Adaptado de Stryer 11988Í.
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• Consumo bajo de energía.
• Capacidad para mantener un mezclado uniforme del medio de cultivo y el microorganismo, con el mínimo de variaciones durante su operación.
• Adaptación fácil a diferentes procesos.
• Precio de acuerdo con las características del fermentador.
• Transferencia de calor buena.
• Sistema de mezclado que mantenga los microorganismos separados entre ellos para evitar un daño mecánico de las células.
• Diseño mecánico simple.
• Controles de pH, de oxígeno disuelto y de temperatura.
• Facilidad en la toma de muestras.
• Sistema de eliminación de calor.
• Diseño que permita mantener condiciones de asepsia durante el proceso.
Generalmente, los fermentadores se construyen de vidrio o de acero inoxidable. A escala de laboratorio, su volumen oscila desde uno hasta cincuenta litros y, a escala industrial, pueden llegar hasta los trescientos mil litros. El volumen de trabajo es, aproximadamente, el 80% del volumen total.
Existen muchos tipos de reactores; cada uno se encuentra diseñado de manera que pueda adaptarse a las condiciones de operación necesarias para optimizar la producción del compuesto de interés. Los más utilizados son;
• El matraz erlenmeyer.
• El reactor de tanque agitado.
• El reactor de elevación con aire, comúnmente conocido por su nombre en inglés, airlift.
• El reactor de disco rotatorio.
O rtu ü i LAS FERMENTACIONES
El matraz erlenmeyer
En la historia de los procesos de fermentación, el "reactor" más utilizado a escala de laboratorio ha sido el matraz erlenmeyer, que se muestra en la Figura 3.2. En la actualidad, es la herramienta más empleada para la selección de la cepa, la preparación del inoculo, el estudio inicial de las condiciones adecuadas para el desarrollo del microorganismo y la preparación del cultivo, antes de aumentar el tamaño del proceso. La principal desventaja del erlenmeyer es la dificultad para mantener y controlar las condiciones (pH, oxígeno disuelto, asepsia) que requiere el crecimiento óptimo del microorganismo. Se han diseñado matraces con hendiduras internas (bafles); la función de estas hendiduras es evitar la formación de vórtices y, de esta manera, lograr un mezclado más homogéneo. Un erlenmeyer con bafles se puede observar en la Figura3.2.b.
1 1
a)
F ig u ra 3.2: Erlenmeyers utilizados en procesosde fermentación, a) Sin bafles y b) Con bafles.
El reactor de tanque agitado
Este reactor está compuesto, principalmente, por un tanque de acero inoxidable o de vidrio con un motor ubicado en su parte superior o inferior para la agitación del caldo de fermentación (ver Diagrama 3.1). Cuando el reactor es pequeño, se puede esterilizar en un autoclave;
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si es de mayor volumen, debe tener un sistema de inyección de vapor para su esterilización. Un reactor de este tipo se puede observar en la Fotografía 3.1.
Algunos de estos componentes se pueden observar en el Diagrama 3.1 y se describen a continuación.
F o to c ra fIa 3 .1 : Un reactor do tanque agitado.
Fuente: Colé Rarmer (2001-2002, 3621.
Lis partes principales de un reactor de tanque agitado son:
• Sistema de agitación (motor e impulsores)
• Placas deflectoras
• Dispositivos de adición, extracción y control
• Sistema de aireación
• Sistema de transferencia de calor.
Diagram a 3.1: Las principales partes de un reactorde tanque agitado.
El sistema de agitación
El sistema de agitación está compuesto por el motor y los impulsores. En el ejemplo se encuentra colocado en la parte superior del termentador. Sus funciones son:
• Aumentar la disponibilidad del oxígeno, porque disminuye el tamaño de las burbujas de aire y, así, aumenta la solubilidad del oxígeno en el medio.
• Realizar el mezclado del caldo de fermentación.
Los impulsores son los dispositivos utilizados para dar movimiento al caldo de fermentación. Su número se define con base en el tamaño del termentador, y su disposición dentro del termentador depende de la configuración geométrica del recipiente. Existen diferentes tipos de impulsores, que se diferencian básicamente por el diseño de las paletas. En la Figura 3.3 se muestran tres tipos de paletas.
44 M ic r o b io lo g ía in d u s t r ia l / A lic ia H er n á n d ez
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a) b) c)
F ig u ra 3 .3: Los tipos de paletas utilizados en losimpulsores, a) La turbina Rushton.b) La turbina abierta, c) La propela marina.
Las placas deflectoras
También se denominan bailes o cortacorrientes. Son placas colocadas a lo largo del reactor, muy cerca de sus paredes, y se utilizan para evitar la formación de un vórtice y, así, mejorar el mezclado del caldo de fermentación. Generalmente, se colocan cuatro; su tamaño se define con base en la configuración geométrica del reactor. En el siguiente diagrama se muestra un reactor sin y con placas deflectoras.
a) b)
D ia g r a m a 3.2: Las placas deflectoras en un reactorde tanque agitado, a) Sin placas deflectoras. b) Con placas deflectoras.
Los dispositivos de adición, extracción y control
Los dispositivos de adición y los de extracción son puertos o aberturas en el reactor, que permiten la adición de los antiespumantes, el me
dio de cultivo y los microorganismos así como el drenaje del caldo de fermentación.
Los dispositivos de control son sensores del pH, la temperatura, la acidez y el oxígeno disuelto.
Todos estos dispositivos se colocan en la tapa del termentador y deben estar bien sellados para impedir que el caldo se contamine con los microorganismos presentes en el ambiente.
El sistema de aireación
La mayoría de los procesos industriales requieren oxígeno {en mayor o menor cantidad) para el desarrollo de los microorganismos. El oxígeno es muy poco soluble en agua, por lo que se debe suministrar continuamente. El aire se incorpora mediante una bomba y es esterilizado a través de filtros e inyectado por la parte inferior del termentador, cerca de las paletas de agitación, para que estas se encarguen de su distribución en todo el caldo de fermentación.
Los sistemas de transferencia de calor
Es necesario mantener el caldo de fermentación a la temperatura en la que se logra el óptimo desarrollo de los microorganismos. Cuando los reactores son de baja capacidad, la temperatura de trabajo se alcanza colocando el reactor en un baño de agua; sin embargo, para reactores de gran capacidad, se requiere sistemas de transferencia de calor.
Los sistemas de transferencia de calor más comunes son:
• Los serpentines. Tuberías que se colocan dentro del termentador (Diagrama 3.3.a).
• La camisa, también conocida como chaqueta. Consiste en una doble pared que cubre el reactor (Diagrama 3.3.b).
OrtruoJ: LAS FERMENTACIONES 45
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Serpentín
a)
D iagram a 3.3: Los sistemas de transferencia de calor enun reactor de tanque agitado.a) Un reactor con serpentín,b) Un reactor con camisa.
En ambos sistemas se suministra vapor de agua, agua caliente o agua fría, y se controla la temperatura por medio de termostatos.
En los procesos de fermentación, se genera calor como consecuencia del metabolismo de las células y, principalmente, por efecto del mezclado del caldo; si la temperatura del medio aumenta a valores perjudiciales para el desarrollo del microorganismo, se debe remover calor por medio de sistemas de alimentación de agua fría.
El reactor de elevación con aire
Estos reactores están diseñados de tal forma que el aire es el que lleva a cabo la agitación. El aire es suministrado por la parte inferior del reactor y ejerce una fuerza de arrastre del líquido a través de todo el recipiente, como se indica en el Diagrama 3.4. Este tipo de reactor presenta dos ventajas, respecto al de tanque agitado:
• El daño en las células es mínimo.
• Los requerimientos de energía para su funcionamiento son menores, por no tener agitadores mecánicos.
Los reactores de elevación con aire también poseen dispositivos para el control de las condiciones ambientales, la toma de muestras y el drenaje del caldo de fermentación.
Enlrada de aire
D iagram a
El reactor de disco rotatorio
Este tipo de fermentador está compuesto básicamente por dos partes: un disco (es, en realidad, un cilindro), cuya superficie es de un material apropiado para que los microorganismos se adhieran a ella, y un recipiente, generalmente rectangular, que contiene el medio de cultivo. El cilindro se encuentra inmerso hasta la mitad en el medio de cultivo y rota lentamente, de tal manera que los microorganismos están en contacto, en forma alterna, con el aire y con el medio de cultivo {Diagrama 3.5). Este reactor se utiliza principalmente para el tratamiento de desechos líquidos (aguas residuales).
D iagram a 3.5: Un reactor de disco rotatorio.
Salida
3.4:
Drenaje
Un reactor de elevación con aire.
de gas
46 M ic ro b io lo g ía INDUSTRIAL / A lIO A HERNÁNDEZ
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LOS SISTEMAS DE FERMENTACIÓN La fase de la tene i a
Los procesos de fermentación pueden desarrollarse por dos métodos o sistemas de operación distintos:
• El cultivo en lote
• El cultivo continuo.
Ambos tienen gran importancia desde el punto de vista industrial y cada uno presenta ventajas y desventajas.
Antes de analizar estos dos métodos, se explicará, en forma concisa, la curva de crecimiento de un microorganismo. Puede ampliar el estudio del crecimiento de los microorganismos en el Capítulo III de Introducción a la microbiología (García, 1995). Además se estudiará el efecto de la concentración de los sustratos sobre la velocidad de crecimiento de los microorganismos.
La curva de crecimiento de un microorganismo
Esta curva representa el comportamiento del crecimiento del microorganismo a través del tiempo. Con base en ella, se determina cuándo se produce la mayor cantidad de biomasa o de metabolitos (primarios o secundarios). En el Gráfico 3.1, se muestran las diferentes fases de crecimiento de un microorganismo.
La fase de latencia también es conocida como fase lag; coincide con el periodo de adaptación del microorganismo a las nuevas condiciones nutricionales y ambientales. Se presenta inmediatamente después de la inoculación y su duración depende del estado fisiológico de la célula inoculada y de las condiciones ambientales. Si el microorganismo se encuentra en su fase logarítmica antes de la inoculación, la fase lag es muy pequeña o puede no presentarse. Durante este periodo, no existe aumento en el número de células, pues el microorganismo utiliza la energía disponible con el fin de sintetizar las enzimas que requiere para su desarrollo en el nuevo medio.
La fase logarítmica o exponencial
En la fase logarítmica, las células se multiplican a la máxima velocidad y su crecimiento puede ser cuantificado con base en el número de células que se producen por unidad de tiempo (para levaduras y bacterias) o por el aumento en la biomasa por unidad de tiempo (para hongos filamentosos). La velocidad de crecimiento durante este periodo permanece constante y es independiente de la concentración del sustrato, siempre y cuando esta sustancia se encuentre en exceso.
Logbiomasa
Tiempo
Gráfico 3.1: La curva de crecimiento de un microorganismo.Fuente: Adaptado de Marison (19%).
A) Fase de latenciaB) Fase logarítmicaC) Fase estacionariaD) Fase de muerte
csmuoJ: LAS FERMENTACIONES 47
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La fase logarítmica termina cuando se produce alguna de estas tres situaciones: los nutrimentos se agotan, las condiciones ambientales indispensables para la célula se modifican o cuando la célula produce metabolitos tóxicos o que inhiben su reproducción.
La fase estacionaria
En la fase estacionaria, la velocidad de crecimiento (reproducción) del microorganismo es igual a la velocidad de muerte y se llega a un equilibrio celular. La importancia de esta fase varía con el tipo de fermentación. Si el objetivo final de la fermentación es la producción de etanol, no es necesario (ni rentable) continuar el proceso cuando se alcanza la fase estacionaria, ya que una vez que obtiene la máxima concentración de las células, la producción de etanol disminuye. Por el contrario, en la producción de antibióticos, la mayor acumulación de estas sustancias se presenta durante la fase estacionaria.
La fase de muerte
La fase de muerte se inicia cuando los nutrimentos que están en el medio de cultivo no son suficientes para que el microorganismo pueda reproducirse. Otro de los motivos por los cuales empieza esta etapa es la producción, como parte del metabolismo, de sustancias tóxicas que impiden la multiplicación de las células.
El efecto de la concentración del sustrato sobre la velocidad de crecimiento
El crecimiento de los microorganismos durante el cultivo en lote y el continuo puede ser cuantificado gracias a los estudios realizados
por Jacques Monod en 1950. Él fue el primero en estudiar el efecto de la concentración del sustrato sobre la velocidad de crecimiento de los microorganismos. Sus estudios se componen de derivaciones matemáticas complejas que no se expondrán en este texto; sin embargo, es importante conocer algunos términos relacionados con el tema.
Algunos términos relacionados con la ecuación de Monod
• La velocidad de crecimiento del microorganismo. La velocidad de crecimiento del microorganismo es el aumento en la cantidad de microorganismos por unidad de tiempo y se expresa matemáticamente como dX/dt; sus unidades son (g/1 Jdr1. Es proporcional al número de células presente; alcanza un valor máximo y constante, siempre y cuando no haya un sustrato que limite su crecimiento. Estas características se cumplen cuando el microorganismo se encuentra en su fase logarítmica.
• El sustrato limitante (S). Es el sustrato que, debido a su concentración (g¡ l ) , va a ser el que restrinja el crecimiento de los microorganismos. Puede ser la fuente de carbono y de energía.
• El tiempo de duplicación (td). Es el tiempo (en minutos) necesario para que las poblaciones de células se dupliquen. Este periodo es constante durante la fase logarítmica.
• La velocidad específica de crecimiento(p). Es la velocidad de aumento de la concentración celular por unidad de tiempo y se expresa en h4 . Se mantiene constante durante la fase logarítmica y, en la curva de crecimiento (Gráfico 3.1), se representa
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por la pendiente de la línea que simboliza la fase logarítmica.
• La velocidad específica de crecimiento mixima Es la velocidad máximade multiplicación que puede alcanzar el microorganismo, en las condiciones en las que está creciendo. Esta velocidad es igual a la velocidad específica de crecimiento, (i, cuando el microorganismo está en la fase logarítmica.
• La constante específica de cada sustrato (Ks). Es la constante de utilización del sustrato limitante y representa la afinidad de los organismos por ese sustrato. La constante Ks es la concentración del sustrato a la que se producen microorganismos con una velocidad igual a la mitad de la velocidad específica de crecimiento máxima (Gráfico 3.2). Si el organismo tiene gran afinidad por el sustrato limitante, el valor de Ks es bajo. Los valores de Ks de diferentes sustratos oscilan en un intervalo entre 1,1 x 10-3 y 25,0 mg/¿ para varios de los microorganismos.
La ecuación de Monod, que se conoce también como el modelo de crecimiento celular, describe la relación entre la velocidad específica de crecimiento (|i) y la concentración del nutrimento limitante (S) en un cultivo microbiano; se representa por la siguiente expresión matemática:
SH e H w f a * ------------------------
(Ks + S)
El Gráfico 3.2 es una muestra de esta ecuación.
Con base en la ecuación de Monod y el Gráfico 3.2, se puede observar que:
• Si la concentración de sustrato limitante (S) es cero, la velocidad específica de crecimiento también lo es.
• Cuando S es muy grande, la velocidad específica de crecimiento tiende a la velocidad máxima. El microorganismo se encuentra en la fase logarítmica, que corresponde a la sección entre los puntos II y III en el Gráfico 3.2.
• Si, por el contrario, S es muy pequeña, la velocidad específica de crecimiento de
La ecuación de Monod
fC0S. o
s .11 iÍ2 -S£
Concentración del sustrato
GrAfico 3.2: El efecto de la concentración de sustrato limitante sobre la velocidad de crecimientode un microorganismo.Fuente: Adaptado del Marison (1996).
GtrtuoJ: LAS FERMENTACIONES _____________ 49
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pende de S, como se muestra en la sección de la curva entre los puntos I y II.
A continuación, se procederá a diferenciar los dos sistemas de operación de los procesos de fermentación.
El cultivo en lote
El cultivo en lote (o por lotes) es un sistema cerrado, porque, después de iniciado el proceso (al mezclar los nutrimentos y el microorganismo), solo se adiciona oxígeno, antiespumantes y bases o ácidos para el control del pH. La fermentación se lleva a cabo en un periodo definido de tiempo, durante el cual varía la composición del medio de cultivo, la concentración de biomasa y la de metabolitos. Después, se interrumpe el proceso y se recupera el producto.
Para realizar exitosamente una fermentación en lote, es necesario conocer la curva de crecimiento del microorganismo: al saber el comportamiento de su crecimiento, se pueden manipular las condiciones de manera que se obtenga el producto deseado, por ejemplo, si lo que se requiere es la producción de metabolitos primarios, se debe alargar la fase logarítmica; si son metabolitos secundarios, se extiende la fase estacionaria y, para aumentar la cantidad de biomasa, se buscan las condiciones de mayor producción de células.
El cultivo continuo
El cultivo continuo se puede describir como un sistema abierto y, a diferencia del cultivo por lotes, se adiciona constantemente medio de cultivo fresco a los microorganismos, a una determinada velocidad, y se extrae caldo de fermentación (medio de cultivo con microorganismos y metabolitos), a la misma velocidad. Así, se logra mantener, en el reactor, una
población estable de microorganismos en condiciones uniformes. En muchas fermentaciones, el compuesto de interés se produce durante la fase exponencial; al respecto, una de las ventajas del sistema continuo es que se puede mantener estable la población en esta fase por periodos prolongados de tiempo.
Para que el cultivo continuo sea efectivo, es necesario que el proceso se encuentre en estado estacionario. El estado estacionario se define como una condición de estabilidad, en la que varios factores permanecen constantes a través del tiempo; entre ellos, el volumen del cultivo, la concentración celular y de metabo- litos, y las condiciones fisicoquímicas necesarias para el desarrollo del proceso. Como resultado de la estabilidad, los procesos fermentativos se pueden mantener por largos periodos, siempre y cuando el sistema se mantenga libre de contaminación.
El cultivo continuo se ha utilizado para fabricar una serie de productos, entre ellos, la cerveza y el etanol; también, se ha utilizado en el tratam iento de las aguas residuales. Algunas sustancias obtenidas por fermentación continua son: acetona, doramfenicol, ácido acético, etanol, ácido cítrico, estreptomicina, ácido glucónico, glucosa-isomerasa, ácido itacónico, glicógeno, ácido láctico, penicilina, butano, penicilinasa, butanodiol, proteína unicelular, celulasa y vitamina B12 (Quintero, 19« , 75). La proteína unicelular se ha producido incluso a escala industrial.
Existen dos técnicas básicas o sistemas de fermentación de cultivo continuo: el mezclado homogéneo y e\ flujo tapón. El mezclado homogéneo se puede realizar por dos métodos diferentes: el quimiostato y el turbidostato. Estas técnicas se presentan en el Esquema 3.3.
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Cultivo continuo
Mezclado homogéneo Flujo tapón
Quimiostato Turbidostato
Esquem a 3 .3 : Los sistemas de operación de cultivocontinuo.
El quimiostato
El quimiostato es un sistema de fermentación en el que se introduce una suspensión del medio de cultivo (sustrato) en el fermentador, a una velocidad definida e igual a la velocidad de salida del medio de cultivo (el medio de cultivo que sale contiene muchos microorganismos o metabolitos y poco sustrato), por lo que el volumen de trabajo del reactor permanece constante (Diagrama 3.6).
Vel £ = Vel sVel € - Velocidad de entrada Vel s = Velocidad de salida
V els
Diagram a 3.6: El sistema de fermentaciónde tipo quimiostato.
La característica fundamental de este sistema de fermentación es que uno de los sustratos se agrega en una cantidad limitada, de tal forma que la velocidad de crecimiento del microorganismo se encuentra en función de la concentración del sustrato en el medio y de la ve
locidad a la que este se adicione. Es decir, el organismo va a crecer, o va a producir la sustancia de interés, a una velocidad que depende de la cantidad disponible del sustrato limitante y del tiempo en el que permanezca el microorganismo en el reactor. El sistema supone que el mezclado es inmediato y homogéneo.
Se debe ejercer mucho control sobre la velocidad del flujo del caldo de fermentación: si la velocidad es muy alta, el microorganismo no permanecerá en el reactor el tiempo necesario para poder reproducirse. Lo anterior se cuan- tifica comparando la velocidad específica de crecimiento con el factor de dilución (D). Este se define como la relación entre la velocidad de ingreso del medio fresco (F) y el volumen de operación del reactor (V):
FD = ------
V
La recíproca del factor de dilución es el tiempo de residencia del microorganismo en el reactor.
Cuando la velocidad específica de crecimiento es mayor que el factor de dilución, se acumulará biomasa en el reactor. Si, por el contrario, el factor de dilución es mayor que la velocidad específica de crecimiento, después de un tiempo de operación, no habrá microorganismos en el reactor pues todos han salido; este fenómeno se conoce en términos técnicos como la- vado del reactor. La información anterior se puede resumir de la siguiente manera:
Si D < p se acumula biomasa en el reactor
Si D > p -*■ se lava el reactor
Para no correr el riesgo de que el reactor se lave, es recomendable que el valor del factor de dilución no solo sea menor que la velocidad específica de crecimiento, sino que no alcance valores muy cercanos a ella.
Oriuo j LAS FERMENTACIONES 51Copyrighted material
Al sistema se le denomina quimiostato, porque la velocidad de crecimiento del microorganismo depende de factores químicos (de la disponibilidad de un compuesto en el medio). Este es el sistema de cultivo continuo más empleado, pues permite controlar el crecimiento del microorganismo y, por lo tanto, manipular la producción de biomasa o de los metabolitos de interés.
El turbidostato
En el turbidostato, el crecimiento no está limitado por ninguno de los nutrimentos; por el contrario, todos se agregan en exceso. El control se ejerce con base en la turbidez que provoca la presencia de microorganismos en el medio de cultivo: entre mayor sea la población de microorganismos, mayor es la turbidez.
Para desarrollar este sistema de control, se coloca una fotocelda en el reactor, que detecta el grado de turbidez del caldo de fermentación: cuando el sistema detecta un aumento en la concentración de la biomasa por encima del límite superior (valor de turbidez mayor que el límite superior), se activa una señal que acciona las bombas de entrada del medio de cultivo y salida del caldo de fermentación. El sistema de bombeo se apaga cuando el valor de turbidez cae por debajo del límite inferior establecido. El procedimiento se resume a continuación.
Primero, se determina, en forma experimental, la relación entre la concentración celular y
g é
la turbidez (revisar los métodos de determinación de la concentración celular expuestos en la sección La prefiaracióii del inoculo del Capítulo 2 de este texto). Luego, se compara la turbidez con la producción de metabolitos o de biomasa, según sea el caso. Por último, se define un intervalo de valores (concentraciones de microorganismos en el caldo) dentro del
cual el sistema de fermentación produce la cantidad de sustancia de interés deseada, y se ajustan los detectores de turbidez con los valores (máximo y mínimo) permitidos.
Una ventaja de este sistema respecto al quimiostato es que el microorganismo sí se puede desarrollar a su velocidad máxima de crecimiento y, por lo tanto, es muy útil cuando no es posible controlar la concentración de los nutrimentos, como en el caso de la degradación de desechos. Una de las desventajas del turbidostato es que se requiere un aparato de control complejo (fotoceldas y sistema de bombeo) para mantener el estado estacionario. Además, puede haber alteración en la detección que realizan las fotoceldas, por acumulación celular cerca de ellas y por la presencia de las burbujas de oxígeno.
El sistema de flujo tapón
En el sistema de flujo tapón, el medio de cultivo y el inoculo entran a un reactor de tipo tubular a una velocidad de flujo constante. Durante la permanencia de los microorganismos en el reactor, se lleva a cabo el proceso de fermentación. En este sistema, a diferencia de los anteriores, la solución de entrada contiene células, por lo que hay variaciones de la concentración de las células, del medio de cultivo y los metabolitos en las distintas partes del reactor. Al igual que en cualquier proceso de fermentación, ya sea por lotes o continuo, es importante conocer la curva de crecimiento del microorganismo, porque la pérdida de células en el fluido que sale del reactor debe estar balanceada por el crecimiento del microorganismo. Si la velocidad del flujo de salida del caldo de fermentación es mayor que la velocidad específica de crecimiento, el reactor se lavará y no habrá síntesis de metabolitos. El Diagrama3.7 muestra un reactor de flujo tapón.
52 M ic r o b io lo g ía in d u s t r ia l t A lic ia H ernándezCopyrighted material
Salida del producto + (microorganismos
y metabolites eie interés)
Entrada del mediode cultivo ------ 1
y los microrganismos
D iag ram a 37: Un reactor de flujo tapón.
Las ventajas y las desventajas del cultivo continuo en relación con el cultivo en lote
Las principales ventajas del cultivo continuo, en relación con el cultivo en lote, son:
• Es posible controlar la velocidad específica de crecimiento del microorganismo (dentro de sus límites metabólicos).
• Se puede estudiar el efecto de algún parámetro (por ejemplo, el efecto de limitación de uno de los sustratos) sobre la actividad metabòlica del microorganismo.
• El crecimiento del microorganismo se puede realizar en las condiciones óptimas.
• Se elimina la fase de latencia, por lo que se reduce el tiempo real de producción del compuesto de interés.
• Se aumenta la productividad por unidad de tiempo, ya que se elimina el tiempo empleado en la esterilización del medio así como en la limpieza y la preparación del reactor. El tiempo requerido para el arranque del equipo (limpieza, esterilización y carga del equipo) se conoce como "tiempo muerto".
Las principales desventajas del cultivo continuo, en relación con el cultivo en lote, son:
• Es difícil mantener las condiciones estériles en el fermentador por periodos prolongados.
• En ocasiones, se presentan mutaciones en la cepa original y, entonces, el mutante puede crecer más rápido que la cepa de la cual procede.
• Cualquier falla en el equipo, aunque sea momentánea, puede desestabilizar el proceso y echar a perder la elaboración del compuesto de interés.
La recuperación Y LA PURIFICACIÓN DE LOS PRODUCTOS
Las etapas de recuperación y purificación representan una parte muy importante en el proceso de obtención del compuesto de interés; se desea recuperar el máximo de producto, en el mínimo tiempo, con el mayor grado de pureza y al mínimo costo. Cliffe (1996) reporta que estas etapas pueden representar el 60% de los costos totales de producción, excluyendo los costos de materia prima. Si las etapas de recuperación y purificación no se manejan en forma adecuada, los costos pueden aumentar hasta ocasionar que el proceso no sea rentable.
Al finalizar la fermentación, el caldo contiene una mezcla de compuestos, tales como: bio- masa, restos de sustratos no utilizados por la célula y metabolitos primarios y secundarios. El método empleado para separar y purificar el compuesto deseado se escoge de acuerdo con los siguientes factores:
• El tipo y la estabilidad del producto
• La concentración del producto
cXrtii.ro 3: LAS FERMENTACIONES ____________ 53
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• La presencia y la naturaleza de otras sustancias en el caldo de fermentación
• El grado de purificación mínimo requerido
• La localización del producto con respecto de la célula (extracelular o intracelular)
• El uso que se le va a dar al producto y su precio de venta.
Con base en estos criterios, es más sencillo definir el camino por seguir para obtener el producto purificado.
Algunos de los procedimientos necesarios para recuperar y purificar el producto final son comunes a muchos de los procesos, mientras que otros son específicos. A continuación se describen los más utilizados. En los capítulos posteriores se estudiarán ejemplos concretos de producción, recuperación y purificación de productos. Puede complementar el material sobre procedimientos para recuperación y purificación de productos en el libro Las operaciones de ¡a ingeniería de los alimentos, de Brennan et al. (1980), capítulos 4 , 6 , 7 , 9 y 13.
La separación líquido-sólido
La separación líquido-sólido es necesaria cuando la fermentación se lleva a cabo en un medio de cultivo líquido; consiste en separar los sólidos (biomasa celular y compuestos in- solubles) del caldo de fermentación. En algunos casos, el compuesto de interés es el sólido (la biomasa), mientras que, en otros, este se encuentra en el líquido. Se puede realizar por diferentes métodos:
• La filtración
• La centrifugación
• La floculación
• La flotación.
La filtración es el método de separación de una mezcla líquido-sólido que se emplea con más regularidad; consiste en hacer pasar la mezcla por filtros con poros que retienen las partículas y dejan pasar el líquido. La eficiencia de la filtración depende de:
• El tamaño del microorganismo y su morfología
• La presencia de capas mucosas en el microorganismo
• La viscosidad y el pH del caldo de fermentación.
Dos de los tipos de filtros más utilizados para realizar esta operación son el filtro prensa y el filtro rotatorio al vacío.
El filtro prensa es utilizado en los procesos continuos y semícontinuos. En este tipo de filtro, se ejerce una presión mayor que la atmosférica al bombear el caldo de fermentación dentro del filtro, lo cual produce el flujo de! filtrado a través del sistema. Se alternan placas cubiertas por filtros a ambos lados, con marcos metálicos, como se muestra en el Diagrama 3.8. Todo el sistema -los filtros, las placas y los marcos- se une por mecanismos hidráulicos. El caldo de fermentación se introduce en un
Marco
La filtración
*Filtrado
Diagrama 3.8: El filtro prensa.
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canal (en el diagrama se indica como "entrada del caldo de fermentación"), que se forma en las esquinas del sistema, y pasa por los marcos metálicos; los sólidos quedan retenidos en el filtro, mientras que el filtrado sale por las placas filtrantes.
El filtro rotatorio al vacío se emplea principalmente en procesos discontinuos, tales como la recuperación de hongos y bacterias del caldo de fermentación. Está compuesto por un tambor cilindrico sumergido hasta la mitad en el líquido por separar (también conocido como papilla de alimentación). La superficie del tambor tiene varios compartimentos separados por tabiques y está cubierta por un filtro. Cada compartimento se encuentra conectado al eje por medio de una tubería, según se observa en el Diagrama 3.9. El tambor gira y, por vacío, empieza el proceso de separación: la papilla ingresa por succión en cada compartimento, los sólidos quedan retenidos en el filtro y el filtrado se va por las tuberías hacia el centro del tambor, donde es recuperado. Después, los sólidos son separados del filtro por inyección de aire comprimido en la superficie del mismo y con la ayuda de una cuchilla.
La centrifugación
La centrifugación es una operación en la que se separan sustancias por medio de la fuerza centrífuga. El método se basa en la diferencia de densidad entre el sólido y el líquido; también puede utilizarse para separar dos líquidos con densidades muy distintas. Es más caro que la filtración y se utiliza cuando esta última operación es muy lenta. El éxito de su aplicación depende de la diferencia de densidad entre los sólidos (la biomasa) y el líquido, la viscosidad del líquido y el tamaño de las células del sólido.
Hay una gran variedad de centrífugas; la selección de una se realiza de acuerdo con el proceso específico de recuperación; sin embargo, las que se emplean con mayor frecuencia en los procesos de fermentación son la centrífuga de discos y la centrífuga de filtro o tamiz.
La centrífuga de discos se utiliza para procesos de separación a gran escala; está compuesta por una serie de conos metálicos conocidos como discos, separados entre sí por espacios muy pequeños. Es de mucha utilidad en la separación de Equidos de diferente densidad. Durante la centrifugación, los sólidos, o el lí-
Entrada del caldo de fermentación
Tuberías
Diagram a 3 .9 : El filtro ro tato rio .
Cuchilla
Salida del filtradoCaldo de fermentación filtrado
Caldo de fermentación
Torta Tabiques de separación
C A rtm oJ LAS FERMENTACIONES _________ 55
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quido más denso, quedan retenidos en el borde de los discos y el líquido es eliminado por la parte superior de la centrífuga. El Diagrama 3.10 corresponde a una de estas centrífugas.
En la centrífuga de filtro o tamiz la separación se produce cuando el caldo de fermentación es forzado contra un material filtrante y, por la acción de la fuerza centrífuga, el líquido pasa a través de los filtros y los sólidos quedan retenidos en ellos.
La floculación y la flotación
La floculación y la flotación son métodos de separación de una mezcla líquido-sólido empleados con menos frecuencia que los dos anteriores; generalmente, se aplican para aumentar la eficiencia en la filtración o en la centrifugación.
La floculación consiste en una separación de los sólidos por agregación y sedimentación. El proceso se puede llevar a cabo calentando la suspensión o adicionando sustancias químicas que actúan como agentes floculantes; así, las células forman aglomerados que sedimentan. Este método es útil cuando las células son muy pequeñas y no es posible su separación mediante centrifugación o filtración.
En la flotación, se introduce un gas en el caldo de fermentación. Las células sólidas se adsorben en las burbujas y suben a la superficie como una capa de espuma; ahí son recolectadas.
La desintegración celular
Esta etapa es imprescindible cuando el microorganismo no excreta el metaboíito de interés al caldo de fermentación. Consiste en romper la pared y la membrana celular del microorganismo. El método por escoger va a depender de cuán fuerte es la pared celular; por ejemplo, las bacterias Gram positivas y las levaduras son mucho más difíciles de romper que las bacterias Gram negativas o los hongos filamentosos. La desintegración celular se puede llevar a cabo por métodos físicos, químicos o biológicos; sin embargo, los más utilizados son los físicos. El daño mecánico a la pared celular de los microorganismos es uno de los métodos más comunes y se puede ejecutar con un molino de bolas. El principio de su funcionamiento radica en romper las célulaspor efecto de la fricción que sufren al ser sometidas a altas velocidades de mezclado, en presencia de bolas de diferentes materiales (vidrio, cerámica u otros). La hontogeneización también es utilizada v consiste en someter la biomasa a altas presiones, provocando "fuerzas de corte" que rompen las células y liberan los compuestos contenidos en ellas.
La extracción líquido-líquido
La extracción líquido-líquido es la operación en la que una sustancia disuelta en una fase líquida (disolvente original) es transferida a otra fase también líquida (segundo disolvente). Para que la operación sea exitosa, los disolventes deben ser insolubles entre sí y la sustancia de interés debe ser más soluble en el se
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gundo disolvente que en el original. Esta operación se puede aplicar cuando el compuesto de interés se encuentra disuelto en el caldo de fermentación. Para aplicar el procedimiento, es básico conocer las propiedades de solubilidad del metabolito. También es factible variar algunas condiciones fisicoquímicas para modificar la solubilidad del compuesto; por ejemplo, si se varía el pH de la disolución, la solubilidad del compuesto en un solvente orgánico puede variar también. La recuperación del producto se hace revirtiendo las propiedades de solubilidad o evaporando el solvente. Algunos solventes utilizados son: acetona, éste- res, butanol y reguladores de pH (buffers).
La cristalización
La cristalización, como su nombre lo indica, es la formación de cristales en un líquido. Es muy utilizada para la purificación de los me- tabolitos obtenidos en los procesos de fermentación. La cristalización se puede llevar a cabo por enfriamiento, por evaporación o por adición de una tercera sustancia (compuesto químico) que provoca la precipitación del compuesto de interés, o que disminuye su solubilidad. Este proceso se aplica cuando los productos requieren altos grados de pureza. La cristalización se utiliza en la recuperación del ácido cítrico y de algunos aminoácidos.
La cromatografía
La cromatografía es una técnica de separación de sustancias en un soporte (puede ser una columna) que contiene una fase estacionaria. Los componentes de una mezcla se transportan a través de la fase estacionaria por medio de una fase móvil que fluye. La separación se basa en las diferencias de velocidad de migración entre los componentes de la mezcla. Los componentes deben ser solubles en la fase móvil y deben ser capaces de interaccíonar con la fase estacionaria, ya sea disolviéndose, adsorbiéndose o reaccionando con ella. La cromatografía es de los procesos más caros y sirve para purificar compuestos metabólicos que se encuentran en una concentración muy pequeña. Se emplea para la separación de compuestos utilizados en la industria farmacéutica y también en investigaciones. Las técnicas cromatográficas se pueden clasificar, según el mecanismo de separación, en: cromatografía de adsorción, de intercambio iónico, de filtración en gel y de afinidad.
Para ampliar el tema sobre las diferentes técnicas de separación cromatogràfica puede estudiar el Capítulo 24 del libro Análisis instrumental (Skoog y West, 1987).
O í/ U o í: LAS FERMENTACIONES ___________57Copyrighted materia!
EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIÓN
1. Comente las diferencias, en relación con el concepto de fermentación, entre los puntos de vista bioquímico y microbiología).
2. Refiérase a las formas más comunes de clasificación de los procesos fermentativos.
3. Cite algunos productos de interés industrial obtenidos por fermentación.
4. Explique las rutas bioquímicas más utilizadas para producir metaboli- tos, a partir de las sustancias orgánicas, en un proceso de fermentación.
5. Respecto a un fermentador:
a) Explique en qué consiste.
b) Mencione cinco características que debe poseer.
6. Mencione los tipos de reactores más utilizados.
7. Explique brevemente en qué consisten los procesos de cultivo en lote y de cultivo continuo.
8. ¿Por qué es importante conocer, antes de aplicar un sistema de fermentación, en qué fase de crecimiento del microorganismo se produce el compuesto de interés?
9. Explique las dos técnicas básicas de cultivo continuo.
10. Mencione las ventajas y las desventajas del sistema de cultivo continuo en relación con el cultivo en lote.
11. Mencione las características de los procesos de recuperación y purificación del compuesto de interés en una fermentación.
12. Cite los métodos más utilizados de recuperación y purificación de compuestos obtenidos mediante fermentación, y los criterios que se siguen para escoger uno determinado.
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FUENTES Y LECTURAS RECOMENDADAS
BLAKEBROUGH, N. 1967. "Industrial fermentations". Cap. 2. En: Biochemical and biological ettgineering science. Vol. 1. New York: Academic Press.
Brow n, A. 1990. "Fed-batch and continuous culture". Cap. 5. En: Fermentation: a practical approach. Oxford: University Press.
B u rto n , D. y J. R ou th . 1977. Química orgánica y bioquímica. México: Editorial Interamericana.
Cuffe, K. 1996 a. "Biorreactores". Cap. 14. En: Biotecnología para ingenieros: sistemas biológicos en procesos tecnológicos. México: Editorial Limusa.
. 1996 b. "Procesos de línea de salida". Cap. 15. En: Biotecnología para ingenieros: sistemas biológicos en procesos tecnológicos. México: Editorial Limusa.
COLE Parmer 2001-2002. Catálogo comercial. U.S.A.: Cole Parmer. Pág. 362.
CRUECER, W. Y A. CRUEGER. 1989. Biotecnología: Manual de microbiología industrial.España: Editorial Acribia.
DE ABATE, J. Biología aplicada. 1982. San José: EUNED.
G a rc ía , V. 1995. Introducción a ¡a microbiología. San José: EUNED.
H utt, R. 1967. "Recovery of fermentation products". Cap. 7. En: Biochemical and biological engineering science. Vol. 1. New York: Academic Press.
IRVINE, T. 1990. "Laboratory fermenters". Cap. 2. En: Fermentation: a practical approach. Oxford: University Press.
MARISON, I. 19%. "Cinética del crecimiento". Cap. 10. En: Biotecnología para ingenieros: sistemas biológicos en procesos tecnológicos. México: Editorial Limusa.
QUINTERO, R. 1993. Ingeniería bioquímica: teoría y aplicaciones. México: Alhambra Mexicana,
Rhodes, A. Y D. F le tc h e r . 1969. Principios de microbiología industrial. España: Editorial Acribia.
STANBURY, P. Y A. W hitaker. 1987. Principles of fermentation technology. GreatBritain: Pergamon Press.
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CAPÍTULO 4
LOS PRODUCTOS
S u m a r i o
Introducción
El yogur
los quesos
La natilla
El suero de queso
Los probióticos
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OBJETIVOS
a) Citar los productos obtenidos por fermentación de la leche.
b) Describir cada etapa de los procesos de elaboración del yogur, el queso y la natilia.
c) Explicar la función de los microorganismos que intervienen en la fermentación de la leche, para obtener el yogur, el queso y la na- tilla.
d) Describir las condiciones necesarias para que se lleven a cabo los procesos de elaboración del yogur, el queso y la natilia.
e) Respecto a los productos probióticos:
• Definirlos
• Citar los requisitos que deben poseer
• Citar las ventajas que le proporcionan al producto fermentado.
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In tr o d u c c ió n
La leche es un líquido segregado por las glándulas mamarias de las hembras de los mamíferos; es blanca y opaca, posee un sabor dulce y un pH cercano a 7. Está compuesta por agua, grasa y sólidos no grasos. Los sólidos no grasos comprenden las proteínas, la lactosa y las cenizas, mientras que los sólidos totales (ST) incluyen el contenido de los sólidos no grasos y de la grasa. La composición promedio de la leche de vaca se observa en el Cuadro 4.1.
Cuadro 4.1
LA COMPOSICIÓN PROMEDIO DE LA LECHE DE VACA
Constituyente Variación
% p/vPromedio
% p/v
Agua 70,00-90,50 87,00
Grasa 2,20-8,00 3,80
Proteínas 2,70-4,80 3,50
Lactosa 3,50-6,00 4,90
Cenizas 0,65-0,90 0,80
Sólidos totales 9,05-19,70 13,00
Sólidos no grasos 6,85-11,70 9,20
Fuente: Adaptado de Revilla (1982).
La leche dentro de la ubre de una vaca sana se encuentra práctica-mente estéril; sin embargo, es contaminada por microorganismos en el canal del pezón. El número de microorganismos del líquido aumenta sensiblemente durante el ordeño y durante las operaciones de manipulación antes de ser refrigerado. La contaminación microbiana proviene de varias fuentes, entre las que se pueden mencionar: el cuerpo de la vaca, los utensilios y el equipo utilizados para el ordeño, las personas, los insectos y el medio. Todas estas fuentes de con-
G *w u > 4 LOS PRODUCTOS LÁCTEOS 65§fí!5d material
taminación hacen que, en condiciones higiénicas, la leche cruda posea un contenido promedio de microorganismos de 10s U FC7m ¿; si tiene una carga microbiana mayor, se dice que no es apta para el procesamiento.
La mayoría de los microorganismos presentes en la leche cruda son bacterias no patógenas, que pertenecen a los géneros Streptococcus, Lactococcus, Leuconostoc, Propionibacterium y Lactobacillus, pero también se pueden encontrar microorganismos patógenos (por ejemplo, coliformes). La presencia de la alta carga microbiana inicial (10- UFC/m¿ ) y la composición rica en nutrimentos de la leche, hacen que los microorganismos se reproduzcan rápidamente v la fermenten en condiciones am- bientales, por lo que la vida útil de este producto es muy corta. A pesar de esas características, el hombre aprendió a aplicar ciertos procedimientos para impedir el proceso de fermentación o, a manipular las condiciones para obtener provecho de él.
La fermentación de la leche es una de las prácticas más antiguas en lo que se refiere a la conservación de los alimentos; su utilización se menciona en el Antiguo Testamento. Se descubrió -por accidente- al almacenar el fluido recién ordeñado en recipientes: después de un determinado periodo, al abrir los recipientes, el producto tenía un olor ácido y se había separado en dos fases: una líquida y semitransparente y otra semisólida con grumos de color blanco y sabor agradable.
Con el paso del tiempo, el hombre desarrolló métodos para elaborar una gran variedad de leches fermentadas, cuyas propiedades dependen de los microorganismos que participan en la fermentación, del lugar donde se produce y hasta del tipo de animal del cual se
UFC: unidades forma doras de colonias.
extrae la leche. Algunas de estas leches fermentadas son conocidas como kefir, koumiss, leche búlgara, ¡eche acidófila y yogur. En Costa Rica, por ejemplo, principalmente en las zonas rurales, se consume leche agria, que es una leche fermentada por medio de la flora asociada, es decir, con los microorganismos que se encuentran en la leche cruda, aunque también puede ser producida por inoculación de microorganismos específicos.
Las leches fermentadas tienen algunas ventajas sobre la leche fluida, entre ellas: un aumento del valor nutricional y una mayor di- gestibilidad (por la hidrólisis de las proteínas y la fermentación de la lactosa); además, se les ha atribuido cierto poder medicinal y su consumo se ha relacionado con un aumento de la longevidad en las personas.
A causa de la gran variedad de productos lácteos que se pueden obtener por fermentación, en el capítulo se estudiarán únicamente algunos de ellos, principalmente los de mayor consumo e importancia en este país.
EL YOGUR
Definición
El yogur es un producto que se obtiene al fermentar la leche utilizando un cultivo mixto formado por las bacterias Lactobacillus del- brueckii, subespecic bulgaricus, y Streptococcus salivarius, subespecie thernwphilus. Como resultado de la fermentación, se produce ácido láctico -a partir de la lactosa presente en la leche- y una serie de compuestos que le imparten al yogur un sabor y un aroma típicos.
El yogur debe tener una consistencia suave y homogénea así como estar libre de suero y grumos. Para evaluar sus características, se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos:
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aroma, sabor (acidez), cuerpo (viscosidad o consistencia) y textura (ausencia de grumos).
Historia
Según las fuentes históricas, el yogur tuvo su origen en el Medio Oriente hace muchos siglos; sin embargo, los productos a los que se refieren en esa época son en realidad varias leches fermentadas en forma empírica, con la participación de los microorganismos presentes en la leche o en el medio, pues -como se recordará- el descubrimiento de los microorganismos y sus características se llevó a cabo a finales del siglo XVII y su utilidad y sus funciones se detectaron y desarrollaron en el siglo XIX.
Desde sus orígenes, las leches fermentadas han sido ingeridas por sus propiedades medicinales para el alivio de desórdenes estomacales, intestinales y del hígado. Durante la primera mitad del siglo XX, un bacteriólogo ruso de apellido Metchnikoff relacionó la buena salud y la longevidad de los campesinos de los Balcanes con el consumo de un producto fermentado, a partir de leche, al cual le llamaban Yahourth. Por este motivo, se considera que las leches fermentadas fueron las precursoras de lo que hoy se conoce como yogur.
Después de la Segunda Guerra Mundial, la tecnología del yogur tuvo un avance muy significativo. Actualmente, el consumo del producto está muy difundido a escala mundial y, en Costa Rica, cada día gana más adeptos. En el mercado nacional, el yogur es fabricado y distribuido por varias industrias; cada una de ellas ofrece a! consumidor una gran variedad de sabores, consistencias y presentaciones.
Existe una gran variedad de yogures que difieren entre sí por varios factores, entre ellos: el proceso de elaboración, la adición de sabo- rizantes y la forma de presentación. En Costa Rica, el yogur más consumido es el yogur batido, que contiene diferentes frutas; le sigue el yogur líquido, cuya introducción en el mercado es más reciente.
El yogur firm e y el batido son dos tipos de yogur que difieren en el proceso de elaboración. En el yogur firme, la leche inoculada con los microorganismos se debe empacar en los recipientes definitivos antes de que se inicie la fermentación, o sea, la fermentación se lleva a cabo en el mismo recipiente en el que será distribuido el producto. Si se desea agregarle frutas, se adicionan en el fondo del envase antes de la leche. El yogur batido (también conocido como yogur a granel) es producido en tanques de fermentación y se empaca una vez que las frutas o los saborizantes hayan sido mezclados con el yogur.
El yogur natural no contiene ningún ingrediente adicional (como saborizantes o frutas), mientras que el yogur de frutas posee frutas en trozos o en forma de puré.
El yogur líquido se puede describir como un yogur batido de menor viscosidad. Se obtiene a partir de una leche con un bajo contenido de sólidos totales (11% p/v) o mezclando iguales cantidades de agua y yogur; sin embargo, una desventaja de este último método es que, a veces, se separan la fase líquida y la fase sólida.
El yogur bajo en calorías posee poca grasa (menos del 1%) y de carbohidratos (azúcares). El consumo de este tipo de yogur se ha elevado mucho en la época actual, en la que existe una creciente preocupación por la calidad de los alimentos que se ingieren y, sobre todo, por su contenido de calorías.
Los tipos de yogur
C v * u o * LOS PRODUCTOS LÁCTEOS ___________67
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Existen otros tipos de yogur, como el yogur congelado, el yogur deshidratado y el yogur de bajo contenido de lactosa, que no serán estudiados en este texto, pues su consumo no está muy difundido en Costa Rica. Para profundizar en el tema, puede revisar el libro de Tamine y Ro-b in so n (1987).
El proceso de elaboración del yogur batido
En el Esquema 4.1, se representan las etapas del proceso general para la elaboración de yogur batido; se seleccionó ese tipo de yogur porque es el de mayor distribución en este país.
Materia prima
Cultivo iniciador
Frutas
El yogur se elabora tanto con leche entera como descremada,* preferiblemente de vaca, aunque en otros países se emplea leche de cabra, de yegua o de búfala. También, puede utilizarse leche en polvo reconstituida. La leche debe estar libre de antibióticos, porque su presencia inhibe el desarrollo de los microorganismos que llevan a cabo la fermentación.
El contenido de sólidos totales (ST) es vital en el proceso de elaboración de este producto. En general, el contenido de ST adecuado para la elaboración de yogur es de 15 a 16%; entre mayor sea su contenido, mayor será su viscosidad. Como la leche contiene un 13% de ST en promedio (ver Cuadro 4.1), este porcentaje se debe aumentar.
Para reforzar el estudio de este material, realice la siguiente actividad:
La materia prima
Analice las etiquetas de los yogures que se expenden en Costa Rica: haga una lista
de los ingredientes utilizados e identifique su función en el producto.
La estandarización
Para aumentar el contenido de sólidos totales en la leche, primero es necesario estandarizar la cantidad de grasa. Bottazzi (1983) reporta que el contenido de la grasa del yogur debe estar entre el 0,5%, en el caso del descremado, y el 3,5%, en el caso del entero.
Es posible elaborar yogur sin aumentar el contenido promedio de sólidos totales de la leche, pero el gel que se forma es muy débil y se rom-
Esquema 4.1: Las etapas del proceso de elaboración del yogur batido.
La leche entera (o simplemente leche) es la que tiene los componentes en sus cantidades originales. La leche descremada es la que contiene 0,5%, o menos, de grasa.
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pe con mucha facilidad, lo que provoca la separación del suero de la leche. Para elevar la cantidad de sólidos totales, existen varias opciones. Tradicionalmente, se concentraba la leche disminuyendo su volumen en una tercera parte, por medio de la evaporación del agua presente en ella. Actualmente, se prefiere agregar leche descremada en polvo u otros sólidos de la leche hasta alcanzar el contenido de los sólidos totales requerido, porque es un proceso más práctico y barato. Otros métodos utilizados, aunque con menos frecuencia, para aumentar el contenido de sólidos totales son la ultrafiltradón y la ósmosis inversa.
Para contrarrestar los efectos negativos sobre la viscosidad y la fuerza del gel, por causa del bajo contenido de los sólidos totales en la leche, también se recurre a la adición de estabilizantes, que mejoran el cuerpo, la textura y la apariencia del yogur. Algunos comúnmente utilizados son el almidón, la carragenina, los alginatos, la goma de algarrobo, la gelatina y la pectina. Los estabilizantes se deben agregar durante la estandarización de la materia prima. El contenido de los estabilizantes en el yogur no debe superar el 0,3%, porque provocan consecuencias adversas en el sabor.
La homogeneización
La etapa de homogeneización generalmente se lleva a cabo antes de la pasteurización, pero puede ser realizada después. Consiste en someter la leche a altas presiones (entre 2,6 y6,8 kP*a) con el fin de disminuir el tamaño de las gotas de grasa y otros constituyentes y, así, que se dispersen mejor. El resultado es un yogur más viscoso, más estable y con mejores características organolépticas.
La pasteurización es una de las etapas más importantes de este proceso porque:
• Se elimina la mayor parte de la flora contenida en la leche. La disminución de la flora asociada a la leche permite el crecimiento de los microorganismos (productores del yogur) libres de competencia, con todos los nutrimentos de la leche a su disposición.
• Se logra la inactivación de enzimas que afectan las características organolépticas del yogur.
• Se desnaturalizan las proteínas de la leche. Mediante la desnaturalización de las proteínas, se liberan péptidos que contribuyen al crecimiento de los microorganismos inoculados. Además, la modificación de la estructura de las proteínas favorece su agregación, lo que mejora la viscosidad del yogur y su capacidad de retención de agua, e impide la separación del suero de la leche.
Existe una gran gama de temperaturas y tiempos asociados a la pasteurización de la leche, de acuerdo con el proceso de fabricación del yogur y el equipo disponible para realizarla. Algunos ejemplos son los siguientes: de 80 a 85 °C por treinta minutos, o a 90 °C por cinco minutos, para leche procesada por lotes; entre 72 y 75 °C por dieciséis segundos, si se utiliza equipo especializado.
Se debe tomar en cuenta que un calentamiento débil de la leche genera un yogur bajo en viscosidad, mientras que un sobrecalentamiento puede provocar una textura granular y una tendencia a la separación del suero.
La pasteurización
* latm = 101325Pa,
Ginrwo* LOS PRODUCTOS LÁCTEOS _______ 69Copyrighted materia!
El enfriamiento pospasteurización
Después de la pasteurización, la leche debe ser enfriada hasta la temperatura necesaria para el crecimiento óptimo de los microorganismos, que oscila entre los 40 y 45 °C. El enfriamiento se puede llevar a cabo de dos formas:
• Se hace pasar la leche por un intercambiador de calor de placas
• En el mismo tanque de pasteurización, se hace pasar agua fría (en lugar de caliente) por la camisa del reactor (ver el Diagrama3.3).
La inoculación y la fermentación
El cultivo iniciador se encuentra compuesto por los microorganismos S. thermophilus y L. bulgaricus en una relación 1:1, la cual garantiza una adecuada consistencia del yogur y un agradable aroma. Los cultivos iniciadores o starters utilizados en Costa Rica para la fermentación de la leche son microorganismos liofilizados que se venden en dos presentaciones, según la manera de aplicarlos:
• Para "reconstituir". Se preparan cultivos madre y se hacen los traspasos necesarios de acuerdo con el volumen de yogur por producir. Para preparar el cultivo madre, se inocula el cultivo iniciador en un matraz con leche estéril y se coloca en las condiciones óptimas de desarrollo.
• Para "aplicación directa". Se adiciona el contenido de los sobres directamente a la leche pasteurizada. La Figura 4.1 muestra matraces con cultivo madre listo para ser inoculado en la leche.
Fig u r a 4 .1 : Un cultivo de microorganismospara la preparación de yogur.Fuente: Fábrica de yogur ¿a rueda.
El cultivo iniciador se inocula en una proporción que oscila entre el 1 y el 5% v/vde la cantidad de leche inicial que se utiliza. Se debe mezclar muy bien con la leche para asegurar una adecuada distribución de los microorganismos. En este momento, empieza el proceso de fermentación. La fermentación se realiza durante un promedio de tres a seis horas, a una temperatura entre los 40 y 45 °C. El tiempo de fermentación depende de la temperatura de incubación y de la capacidad de producción de ácido láctico de los microorganismos. El proceso se debe detener cuando se alcanza una concentración de ácido láctico entre 0,70 y 1,1% p/v En este rango de concentración de ácido, el valor del pH se encuentra entre 4,6 y 3,7.
El enfriamiento posfermentación
Cuando se alcanza la acidez deseada, se debe detener el proceso de fermentación. Para detener la fermentación, se disminuye la temperatura, porque los microorganismos involucrados en el proceso no son capaces de crecer a temperaturas inferiores a 10 °C; además, a bajas temperaturas, se suspende la actividad de las enzimas generadas por los microorganismos. La temperatura recomendada es la de refrigeración (5 °C). El enfriamiento, a la vez,
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tiene un efecto positivo, pues aumenta la firmeza del gel.
La agitación y la adición de frutas
La adición de frutas al yogur le confiere una mayor aceptación por parte del consumidor. En Costa Rica, se agregan al yogur una gran variedad de frutas, entre las cuales se pueden mencionar: fresa, melocotón, mora, guanábana, mango, guayaba, naranja, naranjilla y combinaciones de ellas.
Una vez que el yogur se encuentra frío, se debe agitar cuidadosamente para romper el coágulo o gel; si la agitación se realiza en forma brusca, el yogur pierde su viscosidad. Durante esta etapa, se adiciona la fruta, previamente preparada en forma de trozos o puré, en porcentajes que varían desde el 5 al 25% del producto final. Las frutas deben recibir tratamiento térmico previo, ya que, de lo contrario, son fuente de hongos y levaduras que contaminarán el yogur y disminuirán su vida útil.
El empaque
Cuando el yogur se ha enfriado y se le han agregado las frutas, el producto se empaca. Los recipientes deben ser resistentes, impermeables y de un material que no reaccione con el producto para protegerlo de alteraciones físicas, químicas y de microorganismos. Después de empacado, el yogur debe conservarse en refrigeración con el fin de aumentar su vida útil, que se calcula en un mes.
El proceso de elaboración de yogur firme
Para fabricar el yogur firme, se varía el orden de las etapas de elaboración del yogur batido.
La mezcla se coloca en los empaques de distribución inmediatamente después de que se inocula la leche y, allí, se realiza la fermentación. Cuando el yogur contiene frutas, estas deben colocarse en el recipiente antes de agregar la mezcla de fermentación. El resto de las etapas y las condiciones del proceso es similar a las del yogur batido.
La producción de "yogur" en forma casera
En la actualidad, existen máquinas para hacer yogur a muy pequeña escala, pero estos equipos son poco utilizados en nuestro país. Sin embargo, muchas amas de casa fabrican un producto que llaman "yogur", el cual, en realidad, es una leche fermentada de composición variable, pues depende de la flora microbiana contenida en el inoculo utilizado para su elaboración. El inoculo tiene forma de granos de color blanco, conocidos como "gusani- tos" por su apariencia. El principio de preparación es básicamente el mismo utilizado para el yogur industrial, aunque las condiciones de producción son muy diferentes. Los granos se colocan en la leche que se quiere transformar, el recipiente se tapa y se deja a temperatura ambiente por tres o cuatro días hasta que la leche cuaje. Luego, el producto se pasa por un colador, con el fin de recuperar el inoculo y el yogur se puede consumir. Por último, los granos retenidos en el colador se lavan y quedan listos para volver a ser inoculados en leche.
Como se mencionó, este "yogur" se debería denominar leche fermentada, pues los análisis microbiológicos de los granos (que son en realidad un conglomerado de microorganismos con restos de leche) muestran la presencia de bacterias lácticas, pero también de gran cantidad de coliformes y otros microorganismos
o ttn ju , 4- LOS PRODUCTOS LÁCTEOS 71
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muy diferentes a Lactobacillus bulgaricus y a Streptococcus therniophilus. Por otra parte, a partir de las características de producción, tales como la consistencia de los granos, el "yogur" se parece más al producto conocido como kefir.
Se debe tener presente que la manipulación incorrecta del conglomerado de microorganismos puede originar un producto contaminado con algún microorganismo patógeno (perjudicial para el ser humano).
La microbiología y la bioquímica de la fermentación del yogur
Los microorganismos encargados de convertir la leche en yogur (Streptococcus thermophilus y Lactobacillus bulgaricus) son bacterias Gram positivas, y producen ácido láctico como me- tabolito principal (son homofermentativas). Estos microorganismos crecen en forma óptima en un intervalo de temperatura entre los 40 y 45 °C; su metabolismo se detiene a temperaturas por debajo de los 10 °C. L. bulgaricus es capaz de fermentar fructosa, galactosa, glucosa y lactosa, mientras S. thermophilus puede fermentar glucosa, fructosa, lactosa y sacarosa.
Ambos microorganismos tienen requerimientos nutricionales complejos que son suplidos por la leche; utilizan la lactosa como fuente de energía y la transforman en ácido láctico. Además del ácido láctico, durante el metabolismo de los microorganismos, se producen algunos metabolitos que son los responsables del aroma característico del yogur; entre ellos, los más importantes son: el acetaldehído, el diacetilo y la acetoína. También, se obtienen ácidos volátiles, tales como: el fórmico, el acético, el propiónico, el butírico, el isovalérico y el caproico, los cuales sinèrgicamente con los metabolitos mencionados originan el aroma característico del yogur. El acetaldehído es la
sustancia responsable del aroma que se encuentra en mayor concentración en el yogur (entre 23 a 55 ppm); se produce por la vía de Embden-Meyerhof (Caída et ai., iw).
Los dos microorganismos actúan en forma sinèrgica: las bacterias se estimulan mutuamente. Ambas especies pueden crecer en un pH bajo, pero S. thermophilus crece mejor al inicio de la fermentación cuando el pH es alto. El pH disminuye durante la fermentación, por la producción de ácido láctico, hasta alcanzar un valor inferior a 5,5. La acidez, el consumo de oxígeno y la liberación de sustancias volátiles que produce este microorganismo, crean las condiciones ideales para que se desarrolle L. bulgaricus. Por otro lado, al liberar aminoácidos de la caseína, el bacilo estimula el crecimiento de S. thermophilus y, entonces, se producen ácidos grasos y acetaldehído. Otro efecto positivo de la disminución del pH es la inhibición de los microorganismos que no crecen en ambientes tan ácidos, como la Salmone- ¡la, el Staphylococcus aureus y otros microorganismos que pueden deteriorar el producto.
Desde el punto de vista bioquímico, la lactosa es hidrolizada dentro de la célula bacteriana por una lactasa, en unidades de glucosa y galactosa. La glucosa es metabolizada por la vía de Embden-Meyerhof, como se explicó en el Capítulo 3, hasta ácido pirúvico, el cual se convierte en ácido láctico por la acción de la deshidrogenasa láctica presente en ambos microorganismos. Por otro lado, ambas bacterias carecen de la enzima alcohol deshidrogenasa, por lo que son incapaces de transformar el acetaldehído en etanol.
La proporción en la que se inoculan los microorganismos, según se mencionó, es de 1:1 (Streptococcus; Lactobacillus). Al final de la fermentación, la proporción en que se hallan estos microorganismos depende de las condicio-
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Relación Streptococcus: Lactobacillus
2:1
41
Gráfico 4.1:
1:1 1:2
42 44 45
□ Streptococcus
a Lactobacillus
43
Temperatura (°C)
La influencia de la temperatura sobre la proporción de las especies al final de la fermentación, en un cultivo de yogur.Fuente: Adaptado de Ellner (1997).
R ela c ió n final de» m icrocxg am sm o s Streptococcus: / ac fohacillus
O> 3
3U
2 2,5 3Tiempo de incubación (h)
G ráfico 4.2: La influencia de la cantidad de inoculo y el tiempo sobre la proporciónde las especies al final de la fermentación, en un cultivo de yogur.Fuente: Adaptado de Ellner (1997).
nes de producción y se encuentra en función directa de las características organolépticas deseadas en el yogur. En el Gráfico 4.1, se representa la influencia de la temperatura sobre la proporción de las dos especies en el cultivo del yogur. Así, por ejemplo, a una temperatura de 43 °C, la proporción de microorganismos al final de la fermentación es de 1:1, mientras que a 45 °C, se favorece la producción del Lactobacillus (relación 1:2) y se obtiene un yogur muy ácido.
La cantidad de inoculo y el tiempo de fermentación también influyen en las características del yogur (Gráfico 4.2). Para producir un yo
gur a 42 °C durante dos horas y media, con una relación final de microorganismos de 1:1, es necesario inocular con una cantidad de cultivo equivalente al 3% v/v de la leche que se desea fermentar. Si el yogur se produce en tres horas, se inocula la leche con un 2% del cultivo (en relación con la cantidad de leche empleada).
Aspectos nutricionales del yogur
Algunas personas no toleran la leche: su consumo les causa desórdenes estomacales; la situación se debe a que no poseen, en su siste-
CAfiTt'io4 LOS PRODUCTOS LÁCTEOS 73
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ma digestivo, ima enzima conocida como lac- tasa, encargada de descomponer la lactosa en sus azúcares constituyentes. Este problema de intolerancia a la leche no se presenta al consumir yogur, ya que, durante la fermentación de la leche, la lactosa es utilizada por los microorganismos como fuente de energía y, por lo tanto, su contenido se reduce. Varios estudios han revelado que la lactosa residual del yogur es hidrolizada por las bacterias lácticas dentro del intestino del ser humano. Por otro lado, la digestibilidad de las proteínas presentes en la leche aumenta por la acción proteolítica de las enzimas producidas por las bacterias mencionadas. Asimismo, se recomienda el consumo de yogur después de algún desorden intestinal o después de un tratamiento de antibióticos, pues ayuda en la regeneración de la flora intestinal.
LOS QUESOS
Las características del queso
En la mayoría de los casos, el queso consiste en la fracción sólida que se obtiene por coagulación enzimàtica de la leche. Básicamente, está compuesto por caseína (proteína de la leche), grasa, sales solubles e insolubles, agua, lactosa y albúmina. Desde el punto de vista nutricional, se considera que posee gran valor alimenticio por su contenido de proteínas, grasas, calcio, fósforo y vitaminas.
La fabricación del queso se produjo en forma accidental: antiguamente, se utilizaban los estómagos de cabras y ovejas para transportar la leche y, durante el transporte, la leche se coagulaba y se separaba en una fracción líquida (el suero) y otra semisólida (el queso). Sin conocer el origen de aquellos cambios, la gente
descubrió que era un alimento de buen sabor. En la actualidad, se sabe que esa transformación de la leche en queso se debió a varios factores: la presencia de microorganismos, la temperatura de la leche transportada y, principalmente, la presencia de la enzima conocida como renina o quimosina. La enzima se encuentra en los estómagos de los temeros, las cabras y las ovejas, por lo que la leche se coagulaba cuando era colocada en estos "recipientes".
No se sabe la fecha exacta en la que se fabricó queso por primera vez, aunque se han encontrado recipientes para su fabricación, en Egipto, que fueron utilizados miles de años antes de Cristo. A mediados del siglo XIX, su elaboración se extendió a todas las granjas en Europa. Hoy, es una industria de grandes proporciones a escala mundial v se fabrican muchas
é
variedades de quesos.
Los tipos de quesos
Se conocen en todo el mundo más de dos mil nombres de quesos; sin embargo, en realidad, hay menos de cincuenta tipos diferentes. Los distintos nombres que se les asignan a los quesos dependen del lugar de fabricación, de ligeras modificaciones en el proceso de elaboración o, incluso, de la presentación de los quesos (tamaño, forma) y del método de conservación.
Una clasificación muy general se fundamenta en si los quesos, después de obtenidos, han sido sometidos o no a un proceso de fermentación (maduración) con microorganismos. En esta clasificación, se denominan quesos madurados y quesos frescos. En el Cuadro 4.2 se exponen algunos de estos tipos de queso.
74 MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAI / ÁUCIA HERNÁNDfZ
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Cuadra 4,2
EJEMPLOS DE QUESOS MADURADOS Y FRESCOS
Madurado Fresco
Rarmesano Queso Crema
Cheddar Ricotta
Suizo Requesón
Gruyere Tierno
Roquefort
Camembert
En Costa Rica, la mayoría de la población consume quesos frescos o ligeramente madurados; el consumo de quesos con procesos de maduración extensos y de aquellos madurados con hongos, por ejemplo el Roquefort, no se encuentra muy difundido; incluso, en el caso de los madurados con hongos, la presencia "física" de los microorganismos provoca rechazo. En Francia y en otros países, donde se puede decir que existe "una cultura del queso", el consumo de quesos madurados es muy alto.
Otra clasificación general se realiza de acuerdo con la textura de los quesos y los agrupa en: duros o de pasta dura, semiduros y suaves o de pasta blanda. La dureza del queso depende principalmente de su contenido de agua. En los diferentes quesos duros, el contenido de agua oscila entre un 13 y un 34%, mientras que, en los quesos suaves, el contenido de agua puede ser hasta de un 60%.
En nuestro país, existen varias empresas que se dedican a la elaboración de queso, pero, también, se produce en forma artesanal en la mayoría de las lecherías y, de ahí, es distribuido y expendido en las pulperías y en las ferias del agricultor.
El proceso general de elaboración de quesos
Aunque cada uno de los diferentes tipos de queso tiene un proceso de elaboración diferente, muchas de las etapas son iguales. En el esquema siguiente se presenta un diagrama general para la producción de queso.
Materia prima
Esquem a 4 .2 : Las etapas del proceso de elaboracióndel queso.
La materia prima y la estandarización
La mayoría de los quesos se elaboran a partir de leche de vaca; sin embargo, también se utilizan las leches de cabra, oveja, búfala, camella y yegua. En Costa Rica, el queso que se consu
Ortimo*: LOS PRODUCTOS LÁCTEOS ___________75Copyrighted material
me es producido con leche de vaca, aunque se puede encontrar una pequeña cantidad de queso de cabra preparado en forma artesanal.
De igual forma que en la elaboración de yogur, la leche que se emplea debe cumplir ciertos requisitos de calidad; principalmente, poseer un bajo contenido de gérmenes y estar libre de antibióticos. La composición de la leche depende de algunos factores, como la raza del animal, la hora del ordeño, el periodo de la lactancia, la época del año y el tipo de la alimentación del animal, por lo que debe ser estandarizada antes de iniciar el proceso. Generalmente, se ajustan los contenidos de grasas y de proteínas para que cumplan con los requerimientos mínimos de las normas vigentes. El contenido de proteínas se complementa añadiendo caseinatos.
La pasteurización
La pasteurización brinda tanto ventajas como desventajas en el proceso de elaboración de queso. La leche debe ser sometida a un tratamiento térmico, antes de ser procesada, para eliminar los microorganismos patógenos y facilitar el desarrollo del cultivo láctico; sin embargo, este tratamiento reduce el poder de coagulación de la leche e induce la precipitación de las proteínas, lo que puede causar problemas en el desuerado. Para disminuir al máximo los inconvenientes, se recomienda reducir el tratamiento térmico: realizarlo a una temperatura entre 62 y 65 °C, durante un tiempo entre quince y veinte segundos.
La inoculación y la fermentación
La adición de cultivos lácticos o iniciadores durante esta etapa tiene como finalidad producir ácido láctico para acidificar la leche. La presencia del ácido favorece la coagulación
de la leche cuando se adiciona la renina e influye en la textura, el aroma y la vida útil de los quesos.
El cultivo iniciador que se agrega depende del tipo de queso que se va a elaborar. Si el queso es de pasta blanda se usan cultivos de acidificación rápida, como el compuesto por Lactococcus Indis, subespecie Indis y Lactococcus Indis, su- bespecie cremoris. Para obtener quesos de pasta dura y firme, se utilizan cultivos con capacidad proteolítica y lenta producción de ácido, por ejemplo, el formado por Lactobncillus cnsei y Leuconostoc citrovorum. En el Cuadro 4.3 se mencionan algunos tipos de quesos y el cultivo iniciador que se añade en su fabricación.
Cuadro 4.3
DIFERENTES TIPOS DE QUESO Y SUS CULTIVOS INICIADORES
Tipo de queso Cultivo iniciador
Emmental Streptococcus thermophilus, Lactobacillus hehcricus. Lactobacillus ease/, Propionilyactcrium treudenreichii
Edam Streptococcus thermnphilus, Lactobacillus helvéticas. Lactobacillus casei
Camembert Penicillium candidum, Latfotoccus laciis
Roquefort PemciIlium roquetorti, Ljc Ukocojs lactis
Cottage LactoctKCte lacth
Cheddar Laclocotcus crémorib
Fuentes: Adaptado de Vedamuthu y Washam (1983), y Ellner (1997).
Antes de la inoculación de los cultivos iniciadores, es necesario ajustar la temperatura de la leche entre 28 y 32 °C, que es el intervalo óptimo para el crecimiento de los microorganismos. La concentración en la que se adicionan estos cultivos depende del tipo de queso por obtener y varía entre el 1 y el 6% de la cantidad de leche que se desea fermentar. El tiempo de incubación -a estas temperaturas- oscila entre
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los quince y los sesenta minutos, y finaliza cuando se alcanza un pH entre 6,5 y 5,9.
La coagulación
La coagulación de la leche consiste en la desestabilización o desnaturalización de las proteínas de la leche. Se puede realizar de dos formas: agregando ácidos (o produciéndolos por vía microbiana) o enzimas. Algunos factores que afectan la coagulación son la temperatura, el pH y los contenidos de calcio y de fosfato de la leche.
• Coagulación acida: ocurre por la acumulación de ácido láctico producido por la fermentación; sin embargo, la cuajada que se obtiene por este método es desmenuza- ble y sin cohesión. También se efectúa por adición de otros ácidos, generalmente orgánicos.
• Coagulación enzimática: es la más frecuente. Se lleva a cabo por la adición de un conjunto de enzimas, denominado renina o cuajo común, extraído generalmente del estómago de los temeros. La mezcla está compuesta principalmente por las enzimas quimosina y pepsina. En la actualidad, se utilizan otras enzimas proteolíti- cas, como las pepsinas bovinas y porcinas, y las de origen microbiano -cuajo microbiano- que provienen, sobre todo, de los hongos Mucor pusillus o Mucor miehie.
Antes de adicionar el cuajo, es conveniente ajustar la temperatura de la leche entre 30 y 40 °C, intervalo óptimo de actividad de estas enzimas. Una vez agregado el cuajo, la leche se deja en reposo por un periodo de veinte a treinta minutos, que es el tiempo requerido para su coagulación. Para ayudar ai proceso, se adiciona cloruro de calcio en una concentración entre 0,1
y 0,2 g/¿de leche, ya que, al aumentar el calcio disponible, se favorece la precipitación de las proteínas.
Hasta la etapa de coagulación, los procedimientos básicos en la fabricación de los diferentes quesos son muy similares; sin embargo, las etapas siguientes varían de acuerdo con el tipo de queso por producir.
El desuerado o escurrimiento
Una vez que la leche se ha coagulado, se debe cortar el coágulo. Primero, se hacen cortes en forma vertical y, luego, en forma horizontal hasta que la cuajada queda convertida en cubos pequeños. Este procedimiento ayuda a eliminar el suero, por el aumento que se logra en la superficie. En la Figura 4.2, se ilustra el corte de la cuajada.
Figura 4.2: El corte de la cuajada del coáguloen la fabricación de quesos.
Además del corte de la cuajada, otros factores que contribuyen al desuerado son el aumento en la temperatura y la agitación. El calentamiento debe ser un proceso lento, aproximadamente 1 °C cada dos o tres minutos, pero depende del tipo de queso que se fabrique. La agitación se empieza cinco o diez minutos después de la coagulación de la leche y debe
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realizarse a una velocidad suficientemente alta para impedir que los cubos de cuajada estén en contacto, pero no tanto como para que se rompan.
El moldeo y el prensado
El moldeo tiene como finalidad dar forma al queso y ayudar a que los granulos de cuajada se aglomeren. Los moldes pueden ser redondos, cuadrados, cilindricos o alargados.
El prensado se realiza para endurecer la masa de queso y eliminar el exceso de suero. Generalmente, el moldeo y el prensado se ejecutan utilizando el mismo equipo, pues los moldes tienen dispositivos que ejercen presión sobre el queso.
La presión que se ejerce y el tiempo de aplicación dependen del tipo de queso. Si se elaboran quesos blandos o semiblandos no es necesario aplicar presión, pues es suficiente con la que provoca el peso del queso. Este procedimiento se conoce como autoprensado y puede durar hasta veinticuatro horas. Es necesario, cada cierto lapso breve de tiempo, darle vuelta al queso para lograr que adquiera la consistencia deseada. Cuando se va a producir un queso de consistencia más dura, se utiliza las prensas neumáticas. Al usarlas, se debe controlar la presión que se ejerce, pues si es muy alta se pueden romper los granulos en lugar de endurecer la masa de queso.
El salado
El salado de los quesos tiene varias funciones:
• Proporcionar sabor al producto (es la principal)
• Evitar la proliferación de microorganismos
• Ayudar al desuerado
• Contribuir a la formación de la corteza del queso.
En el proceso, se utiliza sal cristalizada o salmueras de diferentes concentraciones, de acuerdo con el tipo de queso. La sal cristalizada se esparce en la superficie del queso para que se disuelva con el agua superficial y se difunda, poco a poco, hacia el interior del queso. El salado por este método puede durar desde veinticuatro horas hasta varios meses; el queso se debe voltear diariamente para lograr una mejor distribución de la sal. Si se utiliza una salmuera, su concentración de sal debe oscilar entre el 14 y el 16% p/ppara quesos blandos y entre el 22 y el 24% para quesos duros (DUanjan, 1974). Los quesos se sumergen en la salmuera, procurando que no queden partes expuestas en la superficie.
La maduración
La maduración de los quesos consiste en una transformación microbiana de sus componentes en sustancias con mejor sabor y aroma. Las principales modificaciones que se presentan son reacciones de hidrólisis de la lactosa, el ácido láctico, las proteínas y la grasa.
El proceso de maduración se lleva a cabo en cámaras con humedad y temperatura controladas y por periodos que dependen del tipo de queso. El tiempo de maduración es, por lo general, noventa días; sin embargo, en ciertos quesos, se extiende hasta cuatro años. La temperatura de la cámara varía entre 2 y 16 ”C y la humedad relativa entre 75 y 90%. Los microorganismos involucrados en la maduración son las bacterias lácticas y propiónicas, principalmente, así como levaduras y hongos.
Las bacterias lácticas incluyen especies de los géneros Lactobacillus, Streptococcus, Enterococ-
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cus, Leuconostoc, Pediococcus y Bifidobacterium. Como se ha mencionado, el producto principal de su metabolismo es el ácido láctico; sin embargo, también generan compuestos aromáticos y proteasas que transforman la caseína en péptidos.
En ciertos quesos duros, como el emmental, se emplean bacterias propiónicas (por ejemplo, Propionibacterium freudenreichii) en el cultivo iniciador de la maduración. Estas bacterias forman ácido propiónico, succinato, prolina y ácidos grasos volátiles, que le confieren el sabor y el aroma característicos, así como dióxido de carbono, gas responsable de la formación de los agujeros típicos de este queso.
Las levaduras generan compuestos aromáticos a partir del lactato y, además, poseen enzimas proteolíticas y lipolíticas que hidrolizan las proteínas y las grasas, produciendo sustancias que modifican el aroma y el sabor del queso. Algunas de las levaduras presentes con más frecuencia en la maduración de quesos son las de los géneros Kluyveromyces, De- baromyccs, Saccharomyces y Torulopsis.
Los hongos utilizados en la maduración de quesos pertenecen principalmente a especies del género PenicHlium. Los quesos Camem- bert y Brie, por ejemplo, son elaborados con cultivos de PenicHlium camemberti, mientras que el queso Roquefort es producido con Perii- cillium roqueforti. Para su fabricación, la leche debe ser inoculada con esporas del hongo antes de la formación de la cuajada. Una vez obtenido el queso fresco se realizan perforaciones que permiten la circulación de aire y, por lo tanto, el desarrollo de los hongos (ver la Figura 4.3). Los hongos son capaces de transformar los ácidos grasos en metilcetonas, que son los compuestos que proveen el sabor y el aroma típicos a este tipo de quesos.
Figura 4.3: La perforación de quesos para el desarrollo de hongos.
En el caso específico de la elaboración del queso palmito, uno de los más típicos de nuestro país, se mezcla una parte de leche descremada (que provenga del ordeño de la tarde anterior) con otra parte de leche sin descremar (ordeñada en la mañana). Como se puede observar, de esta forma tan empírica, se adiciona leche con cierto grado de fermentación. El cuajo enzimàtico se deshace en una determinada cantidad de suero obtenido del queso fabricado anteriormente y se añade a la mezcla de leches. La leche coagula en menos de treinta minutos y se corta con la mano o con una paleta. Entonces, se procede al desuerado y se deja fermentar la cuajada por trece horas; luego, se desuera completamente. Después, se calienta la cuajada hasta que funda y se empieza a hilar con la mano en forma de ovillo, salando simultáneamente con una salmuera. Una vez formado el ovillo, se coloca en un molde de madera para evitar que pierda su forma.
Para complementar el material expuesto sobre quesos, lleve a cabo las siguientes actividades:
Investigue el proceso de elaboración de queso en alguna lechería y compárelo con el que
se realiza en las industrias lácteas.
Investigue el proceso de elaboración de algún tipo de queso madurado. Haga el diagrama
y describa cada una de las etapas. Enfatice en aquellas en las que intervienen
microorganismos.
Gvrrwo 4. LOS PRODUCTOS LÁCTEOS 79Copyrighted material
La nati l la La materia prima y ia estandarización
Definición
La tintilla, también conocida como crema àcida, es un producto obtenido a partir de la fermentación de la crema de la leche, utilizando microorganismos lácticos. Se produce artesanalmente en fincas y, en forma industrial, en plantas procesadoras de leche.
El proceso de elaboración de la natilla
El proceso de elaboración de la natilla, que se resume en el Esquema 4.3, es similar al de los otros productos lácteos mencionados. Posteriormente, se explica cada una de las etapas.
Esquema 4.3: Las etapas del proceso de elaboraciónde la natilla.
Para la fabricación de la natilla se utiliza la crema de la leche, especialmente de vaca. El contenido de grasa de la crema debe ser estandarizado a un 19% pAi aproximadamente, para lograr un producto de buena calidad. Si la crema contiene una cantidad de grasa inferior, se puede agregar aceite de mantequilla para aumentarla; si por el contrario, contiene más grasa de la especificada, se adiciona leche descremada o agua hasta alcanzar la concentración deseada. Además de la estandarización de la grasa, se debe aumentar el contenido de sólidos no grasos de la crema con el fin de mejorar la textura y la viscosidad del producto; para hacerlo, se añade leche descremada en una proporción entre el 1 y el 3% respecto de la crema.
En algunos casos, se adicionan estabilizadores para mejorar el cuerpo del producto final. No se recomienda agregar más de un 0,5% de estabilizador durante la etapa de estandarización.
La homogeneización
En la elaboración de la natilla es importante la etapa de homogeneización, porque se distribuyen mejor los glóbulos de grasa presentes en la crema, lo que contribuye a dar al producto final una apariencia agradable. El proceso se realiza a una presión de 3000 psi (2,1 x 104 kPa); la crema debe ser precalentada a 72 UCa p r o x im a d a m e n te (Revilla, 1982, ISO).
La pasteurización
Como se estudió en los otros productos lácteos, la pasteurización tiene como objetivos principales la eliminación de los microorganismos patógenos que pueda contener la leche así como la creación de un ambiente pro
80 M ic r o b io lo g ía in d u s t r ia i / A l ic ia H e r n á s d e z
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picio para el buen desarrollo de los microorganismos que se inoculan posteriormente.
La pasteurización de la na tilla se realiza a diferentes combinaciones de temperaturas y tiempos, según el equipo de pasteurización con que se cuente. Por ejemplo, se puede llevar a cabo a 74 °C por treinta minutos o a 82 °C por dieciséis segundos (Reviiia, 1982,150). Las condiciones del proceso son más severas que en el caso de la leche, por el alto contenido de grasa: la grasa es una mala conductora del calor y, por lo tanto, ejerce un efecto de protección sobre los microorganismos que se quieren inactivar.
La inoculación y la fermentación
Antes de inocular el cultivo láctico, se debe enfriar la crema hasta una temperatura entre 20 y 22 °C, que es la óptima para el crecimiento de los microorganismos inoculados.
El cultivo generalmente está constituido por una combinación de cepas de Enterococcus, Lactococcus lactis subespecie lactis o Lactococcus lactis subespecie cremoris y de Leucotiostoc ci- trovorum o L. dextramcum. El cultivo se añade en una concentración que varía entre el 0,5 y 2,0% v/v (respecto a la cantidad de crema de leche que se va a fermentar) y, a veces, se agrega renina, en una concentración de 0,5 m¿/10 gal de crema, para ayudar al proceso de coagulación. A partir de la adición del cultivo, empieza el proceso de fermentación, que se extiende por un periodo de catorce a dieciséis horas hasta que el producto alcanza una acidez del 0,7%.
Desde el punto de vista microbiano, el estreptococo empieza a multiplicarse y produce, principalmente, el ácido láctico necesario para impartir el sabor ácido, coagular la leche y bajar el pH. El pH ácido favorece el crecimiento de Leuconostoc, que genera, a partir de la hi
drólisis del ácido cítrico, los compuestos que proporcionan el aroma característico de la na- tilla: una combinación de diacetilo, ácido acético y ácido propiónico.
El enfriamiento
Después de obtener la acidez deseada, es necesario detener la fermentación para que no se genere más áddo; de no hacerlo, el producto, por su sabor, no sería apto para el consumo. Para lograr que el metabolismo de los microorganismos se detenga, se disminuye la temperatura a 4 °C. Se recomienda mantener la natiila a esta temperatura durante cuarenta y ocho horas, con agitación lenta, para mejorar su textura y cuerpo.
El empaque
Una vez lista la natiila, se empaca y se refrigera hasta su consumo. Los empaques que se utilizan son muy variados en tamaño; generalmente, son recipientes plásticos. También se encuentra la natiila empacada en bolsas plásticas, principalmente aquella elaborada en las fincas lecheras.
El suero de q u eso
El rendimiento de queso durante su fabricación es, aproximadamente, un 10%: de cien litros de leche utilizados en la fabricación de queso, el 90% se convierte en un líquido semitransparente conocido normalmente como suero. Esta sustancia, a pesar de ser una fuente de alto valor nutritivo, ha sido descartada por muchos años y ha provocado serios problemas de contaminación ambiental. En el Cuadro 4.4 se presenta la composición promedio del suero de queso.
c m >4: LOS PRODUCTOS LÁCTEOS 81Copyrighted material
Cuadro 4.4
LA COMPOSICIÓN PROMEDIO DEL SUERO DE QUESO
Componente % p/v
(1)
% p/v
(2)
Lactosa 4,9 4,85Proteína 0,9 0,80Cenizas 0,6 0,50Grasa 0,3 0,50Ácido láctico 0,2 0,05Sólidos totales 7,0 6,35Agua 93,0 93,70
Fuentes: (1) Desrosier (1987, 455).(2) Kosikowski (1977, 450).
Hasta la fecha, se han realizado numerosas investigaciones con el fin de aprovechar esta sustancia, y se han obtenido muy buenos resultados. Por su composición, algunos de los usos del suero pueden ser:
• Fabricación de "quesos de suero", como el Ricotta.
• Elaboración de medios de cultivo. Por la composición del suero, es posible el desarrollo de microorganismos.
• Producción de ácidos orgánicos, como el ácido láctico, el ácido acético y el ácido propiónico. Estos ácidos son los compuestos mayoritarios que se obtienen por vía fermentativa, a partir de la inoculación del suero con microorganismos.
• Alimentación animal. El suero se puede emplear, para este fin, tanto en estado líquido como deshidratado.
LOS PROBIÓTICOS
Probióticos es un término -de reciente utilización- que se aplica a productos obtenidos por fermentación con microorganismos benéficos para la salud. Estos microorganismos se co
nocen como microorganismos de tercera generación, por sus propiedades. Incluyen básicamente bacterias y levaduras. Algunos de los microorganismos probióticos son: Bifidobacterium longum, Bifidobacterium bifidum, Bifidobacterium in/antis, Pediococcus acidilactici, Lactobacillus delbrueckii subespecie bulgaricus, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus casei, Lactobacillus reuteri, Propionibacterium freudenrichi yStreptOCOCCUS faecium (Ellner, 1997).
Entre los productos probióticos se encuentran:
• El "yogur probiótico", que es fermentado con Lactobacillus acidophilus o Lactobacillus casei.
• La "leche ácida probiótica", fermentada con Lactobacillus acidophilus y Bifidobacterium sp.
• El "Yakult", bebida proveniente de Japón que es preparada con ciento ocho cepas de Lactobacillus Casei (Ellner, 1997).
Las ventajas del uso de los productos probióticos
Es recomendable la utilización de los microorganismos probióticos para la producción de leches fermentadas, porque brindan las siguientes ventajas:
• Se aumenta la digestibilidad de la leche fermentada, ya que muchos de los nutrimentos -como la lactosa, las proteínas y las grasas- se consumen en forma predi- gerida. Además de la predigestión originada específicamente por la fermentación, los microorganismos probióticos sobreviven el paso por el tracto gastrointestinal y, ahí, liberan enzimas que ayudan en la digestión final de los nutrimentos.
• Se presenta un efecto que protege de las infecciones intestinales, porque inhiben el d e
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sarrollo de microorganismos patógenos y controlan el equilibrio de la flora putrefactiva que habita normalmente en el colon.
• Se estimula el sistema inmunológico. Asimismo, se tienen reportes de que una dieta complementada con productos probió- ticos reduce, entre un 25 y 30%, la aparición de tumores en el colon (Céspedes, 1995).
• Se ha encontrado una relación directa entre el consumo de probióticos y la disminución del colesterol en el organismo, o sea, que estos microorganismos poseen actividad hipocolesterolémica.
Los requisitos de los microorganismos probióticos
Los microorganismos probióticos se inoculan en una alta concentración (mayor que 107 UFC/mf )• Deben cumplir con una serie de requisitos; entre ellos, los más importantes son:
• Mantener su viabilidad en las condiciones de preparación del alimento en el que se utilizan, por ejemplo, la presencia de azúcares y aditivos.
• Mantener su viabilidad en las condiciones de extrema acidez en el estómago, y ser capaces de colonizar el intestino.
• Tener una alta velocidad de crecimiento para dominar sobre los otros microorganismos intestinales.
A pesar de que este tipo de productos es de amplia distribución en Europa, en Costa Rica casi no se producen, pues únicamente algunos tipos de yogur podrían ser clasificados como tales. Sin embargo, debido a que, en la actualidad, los consumidores se preocupan más por la adquisición de alimentos que sean benéficos para su salud, posiblemente la cantidad de productos probióticos aumentará.
G#wio* LOS PRODUCTOS LÁCTEOS
EJERCICIOS DE AUTOEVALUACION
1. Enumere algunos productos que se obtienen por fermentación de la leche.
2. Cite las funciones de la pasteurización durante la elaboración de yogur.
3. En cuanto a la producción de yogur:
a) Describa las diferencias entre la producción industrial y la producción casera. Refiérase al tipo de microorganismos y a las condiciones de temperatura y tiempo.
b) ¿Recomendaría usted la producción de "yogur" en forma casera? Explique.
4. Utilizando el Gráfico 4.1, Influencia de la temperatura sobre la proporción de las especies al final de la fermentación, en un cultivo de yogur, determine la temperatura óptima de incubación para obtener un producto con una relación final de Streptococcus: Lactobacillus de 2:1.
5. Utilizando el Gráfico 4.2, Influencia de la cantidad de inoculo y el tiempo sobre la proporción de las especies al final de la fermentación, en un cultivo de yogur, determine la cantidad de cultivo que se debe inocular para obtener un producto con una relación de Streptococcus: Lactobacillus de 2:1, después de dos horas de fermentación.
6. Mencione las etapas del proceso de fabricación de queso en las que intervienen microorganismos.
7. Explique la función de los cultivos iniciadores en la elaboración del queso.
8. En la elaboración del queso:
a) Defina lo que es un cuajo común y un cuajo microbiano.
b) Indique cuál tipo de cuajo es el que se utiliza en la actualidad y las razones por las que se escogió.
9. ¿Por qué se debe ajustar la temperatura antes de la adición de cultivos de microorganismos y del cuajo, en la elaboración del queso?
10. Indique la principal diferencia entre la natilla y la crema dulce.
11. Nombre los compuestos que dan aroma y sabor a la natilla.
12. Mencione los usos que se le pueden dar al suero de queso.
13. Enumere las ventajas de los productos probióticos.
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FUENTES Y LECTURAS RECOMENDADAS
BOTAZZI, V. 1983. "Other fermented dairy products". Cap 5. En: Biotechnology: a comprehensive treatise in 8 volumes. Vol. 5. Germany: Verlag Chemie GmbH.
CÉSPEDES, I. 1995. "Probióticos lactofermentados en la salud humana". En: Tecnología láctea latinoamericana. 1:37-41.
Davis, ], 1975. "The microbiology of yoghourt". Cap. 2. En: Lactic acid bacteria in beverages and food. U.S.A.: Academic Press.
D esrosier, N. 1983. "Tecnología aplicada a los productos lácteos". Cap. 13. En: Elementos de tecnología de alimentos. México: Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V.
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ELLNER, R. 1997. Saninario: Tecnología de productos lácteos. Escuela de Tecnología de Alimentos de la Universidad de Costa Rica. Costa Rica: UCR.
G a rc ía , M., S. Revah y L. Gómez. 1993. "Productos lácteos". Cap. 6. En: Biotecnología alimentaria. México: Editorial Limusa.
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In t r o d u c c ió n
La carne es un alimento que contiene una gran variedad y abundancia de nutrimentos, por lo que constituye un excelente medio para el desarrollo de los microorganismos. Si no se aplican controles adecuados, los microorganismos adquiridos durante su manipulación o aquellos presentes en el ambiente, la deterioran rápidamente. Para contrarrestar la corta vida útil de los productos cárnicos, se han desarrollado una serie de métodos de conservación, entre los que se pueden mencionar:
• La refrigeración
• El secado
• El salado
• El curado
• La fermentación.
También se efectúan combinaciones de ellos.
El método de curado, por ejemplo, inicialmente consistió en adicionar sal a la carne y, con el transcurso del tiempo, se han añadido otras sustancias que, además de conservar el producto, mejoran su sabor. El curado se aplica a piezas de carne entera (jamones) y también a los conocidos y gustados embutidos. Existen muchos procesos de obtención de embutidos, como lo confirma la gran cantidad de ellos disponibles en el mercado. Entre los embutidos se encuentran los fermentados, que se estudiarán en este capítulo. Se considerará su historia, la microbiología y la bioquímica de su fermentación, así como el proceso general para su elaboración.*
• Si desea más información sobre el proceso general de elaboración de embutidos, puede obtenerla en Price y Schweigert (1976), o en Paltrinieri (1978).
Owftuo* LOS EMBUTIDOS FERMENTADOSüopyrignted material
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Como se indicó, la carne tiene una vida útil muy corta, porque contiene gran cantidad de elementos y compuestos que permiten a los microorganismos desarrollarse y, al hacerlo, deterioran el producto aceleradamente. Por este motivo, desde tiempos antiguos, el ser humano ha buscado la forma de preservar y transformar esta clase de alimentos mediante diversos métodos; uno de ellos es la fermentación de la carne para la producción de embutidos fermentados.
En investigaciones realizadas, se detectaron indicios de que los embutidos constituían un alimento popular en las civilizaciones griega y romana (Bonilla a ai, s í ). Durante la Edad Media, la fabricación de embutidos tuvo gran auge en varios lugares de Europa, de ahí que los nombres de algunos productos sean los de las ciudades de las que provienen. En esa época, la refrigeración artificial no se conocía ni se había desarrollado la industria del enlatado; la carne que se quería conservar era mezclada con sal, empacada en los intestinos (tripas) de los animales y, luego, sometida a un proceso de secado en unos cuartos especiales. El producto que se obtenía poseía características diferentes del original; en la actualidad, se sabe que la transformación sufrida por la came era causada por microorganismos que provenían de los intestinos de los animales, de la manipulación y del aire presente en los cuartos de secado. En muchos casos, el embutido, en lugar de convertirse en un producto de agradable aroma y sabor, se deterioraba. Poco a poco, los hombres seleccionaron la forma de elaborar el producto cárnico, a pesar de que no conocían el fundamento científico de la transformación. Por este motivo, se dice que la fermentación de la came es una de las fermentaciones tradicionales, y que se dio en forma circunstancial mediante "prueba y error".
El descubrimiento de los microorganismos y la determinación de su acción en los alimentos
durante el siglo XIX han permitido al ser humano entender y manipular los procesos de fermentación de los productos cárnicos. En la segunda mitad del siglo XX, la introducción de cultivos iniciadores garantizó una alta calidad en el embutido, no solo en su sabor y su aroma, sino en su estabilidad y en la prolongación de su vida útil. En la actualidad, existe un alto número de microorganismos patentados, que se pueden usar específicamente para obtener un producto cárnico fermentado con características determinadas previamente.
LOS EMBUTIDOS FERMENTADOS
La fabricación de embutidos depende de muchos factores, por lo que es muy difícil clasificar estos productos. Price y Schweigert (1976)
hacen una división de ellos con base en el tratamiento térmico que reciben, y es la que se expone en el Esquema 5.1. Los embutidos fermentados se incluyen en la parte denominada "Secos y semisecos" y pueden ser ahumados o no.
Embutidos
Esquema 5.1: Clasificación general de los embutidoscon base en el tratamiento térmico.
Fuente: Price y Schweigert (1976, 495).
Los embutidos fermentados, también conocidos como embutidos madurados, tienen un sabor intenso y persistente, que lo causa el ácido láctico y otros compuestos producidos por la fermentación (generalmente bacteriana). Se elaboran con came de cerdo, came de res o combinaciones de ellas. Existe una gran variedad de embutidos fermentados (secos y se-
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Carne y grasa
Esquema 5.2: Las etapas del proceso generalde elaboración de un embutidofermentado.
La selección de la carne y la grasa
La carne que se utiliza para hacer embutidos puede ser de res o de cerdo; su selección se realiza con base en el producto por elaborar. Se pueden utilizar mezclas de ellas, por ejemplo, en los embutidos alemanes (thuringer) y en los italianos (salami) se emplea una mezcla de carne de res y de cerdo.
Los animales deben estar sanos y bien nutridos; antes del sacrificio, no deben haber sido sometidos a actividades tensas ni cansadas, ya que esto afecta la calidad del producto elaborado.
Una vez sacrificado el animal, el glucógeno (material de reserva de energía) presente en la carne, se desdobla principalmente por vía enzimàtica para convertirse en ácido láctico, lo que provoca una disminución en el pH. El grado de acidificación que se alcance depende de la cantidad de glucógeno que tiene el animal en el momento del sacrificio y de la temperatura a la que se almacene la carne; sin embargo, en un proceso normal, el pH desciende a valores cercanos a 5,8. Si el animal ha sido sometido a fuertes periodos de stress o ejercicio antes de la matanza, no habrá mucho glucógeno para ser transformado cuando el animal muere y, por lo tanto, el pH de la carne no disminuye en gran medida. Por el contrario, si hay mucho glucógeno de reserva, el grado de acidificación que se puede alcanzar es alto.
Cuando se utilizan cultivos iniciadores en la elaboración del producto fermentado, se puede emplear carne fresca, cuyo pH promedio es de 6,2. Si no se van a emplear cultivos iniciadores, es recomendable utilizar una carne cuyo pH haya descendido hasta un valor aproximado de 5,8.
La grasa es adicionada como tocino fresco y congelado para evitar alteraciones provocadas en el producto por enranciamiento.
La congelación
Es importante que la carne y la grasa estén muy frías durante el proceso para poder cortar la grasa en pedazos sin que esta se derrita; por lo tanto deben congelarse a una temperatura que oscile entre -3 y -1 "C.
El picado de las materias primas
El picado de la carne y el tocino se lleva a cabo en una máquina cortadora, comúnmente
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El secado
Una vez terminado el proceso de fermentación, los e m b u t id o s s e c o s se colocan en cámaras de secado por aire a una temperatura entre los 12 y 15°C, y a una humedad relativa entre el 65 y 75%. Es importante verificar la velocidad del aire, porque si es muy alta, se pueden producir defectos por secado excesivo, como la formación de capas superficiales por la rápida pérdida de humedad; si, por el contrario, durante el secado, la velocidad del aire es lenta o los embutidos colgados se encuentran muy juntos, la humedad se puede quedar en la superficie y generar el crecimiento de microorganismos indeseables. Los e m b u t id o s s e r n is e -
c o s , en general, no son secados posteriormente, sino son cocidos; al cocerlos, las proteínas de la carne se coagulan y se inactiva la actividad microbiana.
La MICROBIOLOGÍA y LA BIOQUÍMICA
DE LA FERMENTACIÓN DE EMBUTIDOS
El proceso de fermentación de los embutidos
La fermentación de los productos cárnicos no ha sido estudiada tan extensamente como la de los productos lácteos y la que se lleva a cabo para la obtención de bebidas alcohólicas. Al principio, en los años cincuentas, la adición de cultivos iniciadores no tuvo gran aceptación, ya que se prefería la fermentación natural y, en esa época, se conocía más acerca de
las desventajas de los microorganismos que de sus beneficios.
La fermentación de las carnes también se conoce como m a d u r a c ió n . En el caso de los productos embutidos fermentados, se inicia una vez que la carne ha sido embutida; se efectúa con la flora asociada al animal sacrificado y con la que ha sido adquirida durante todo el proceso (la que proviene de las personas que los manipulan, de los utensilios que emplean y del aire del cuarto de embutido). Esta fermentación se puede realizar en forma más controlada si se utilizan c u l t iv o s in ic ia d o r e s .
La fermentación depende del tipo y de la cantidad de microorganismos que se utilicen y de la temperatura a la cual se ejecute: cuando ocurre a una temperatura menor que los 15 °C, se conoce como f e r m e n t a c i ó n l e n t a ; si la temperatura del proceso fluctúa entre los 15 y 20 °C, se tiene una f e r m e n t a c i ó n m e d ia y si se realiza a 25 °C o más, se denomina f e r m e n t a
c ió n r á p id a .
En una fermentación lenta, hay un desarrollo del aroma y un enrojecimiento lentos y la consistencia del embutido se genera muy despacio; sin embargo, se adquiere una coloración más intensa y de mayor estabilidad, así como un mejor sabor.
Por medio de la fermentación rápida, los embutidos están disponibles para ser vendidos en un menor tiempo, lo que económicamente le resulta beneficioso al productor; pero, este tipo de fermentación presenta los siguientes inconvenientes: el color del producto es menos estable, el sabor es más fuerte y los microorganismos que deterioran el producto se desarrollan mejor a las temperaturas altas que se emplean en ese proceso.
Cuando el proceso de la fermentación se lleva a cabo con la flora asociada, al inicio, todos los
Investigue si en Costa Rica se elaboran embutidos fermentados. Puede solicitar información
en las industrias procesadoras de embutidos. Confeccione un diagrama de proceso
de algún producto que se elabore en una de estas industrias.
M im os. LOS EMBUTIDOS FERMENTADOS _______________97
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sado que comúnmente se observa en los embutidos:
Nitrosomioglobina + Calor —> Nitro$ohemoavmo
El Esquema 5.3 resume el proceso de coloración.
Esquema 5.3: La formación de los compuestos responsables del color en los embutidos.Fuente: Guerrero (1993, 235).
Los PROCESOS ESPECÍFICOS
DE ELABORACIÓN DE DOS
EMBUTIDOS FERMENTADOS
El salami duro
El salami, un embutido seco que posee un alto consumo en Europa, es elaborado con carne de res y tocino de cerdo (picados finamente), azúcar, nitrito de sodio, sal, especias y condimentos. El producto se somete a desecación, fermentación y, en algunos casos, al ahumado. En el Esquema 5.4 se muestran las etapas para su elaboración.
M ateria prima
Esquema 5.4: la s etapas del proceso de elaboracióndel salami duro.
La carne que se emplea en el salami debe estar refrigerada antes de cortarla; se corta en pedazos de aproximadamente cinco centímetros de lado. Estos trozos se muelen y se añade el resto de los ingredientes. La masa se mezcla bien y se embute en las tripas. Los salamis se cuelgan en cámaras donde se lleva a cabo la fermentación, a una temperatura entre los 22 y 24 °C y una humedad relativa entre el 80 y 90%. Luego, el embutido permanece en estas cámaras, pero a una temperatura de 5 °C y una humedad entre el 60 y 70%, hasta que alcance un pH de 5,0 o menor.
Cuando se utilizan cultivos iniciadores, las condiciones de temperatura, humedad relativa y tiempo de fermentación pueden variar, según los microorganismos presentes en el cultivo, por lo que es muy importante seguir las instrucciones del manejo del cultivo que indica su distribuidor.
GtfftUOS: LOS EMBUTIDOS FERMENTADOS 101
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CAPITULO 6
. ' tm
LAS BEBIDAS ALCOHÓLICAS
Sumario
Introducción La cerveza El vinoLas bebidas destiladas
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a)
Corte transversal
Corte longitudinal
c)
F ig u ra 6 .1 : La espiga y el grano de cebada, a) Espiga de cebada, b) Corte transversal de la espiga, c) Grano de la cebada.
La malta
Como se mencionó, la cebada ha sido siempre el cereal seleccionado como la materia prima principal de la cerveza. La cebada, que pertenece a la familia de las gramíneas, es parecida al trigo y su nombre científico es Hordeum spontaneum. En la Figura 6.1 se muestran dibujos de la espiga y el grano de la cebada.
De acuerdo con la cantidad de hileras de granos que se encuentran, existen dos subespe- cies de espigas de cebada:
• La espiga de dos hileras: es utilizada principalmente en Europa. Tiene los granos más desarrollados que la de seis hileras, por lo tanto, posee más proporción de carbohidratos y el rendimiento es mayor. Su cáscara es más delgada y, como consecuencia, la cantidad de sustancias que pueden deteriorar la calidad de la cerveza {localizadas en la cáscara) es menor.
• La espiga de seis hileras: es llamada cebada de invierno. Tiene los granos menos desarrollados que la de dos hileras; sin embargo, presenta mayor contenido de enzimas, por lo que es principalmente em
pleada cuando se utilizan "adjuntos" (este término se explica en la sección siguiente).
En la Figura 6.1.a, se observan cortes transversales de estos dos tipos de espiga.
La preparación de la malta o malteo es, básicamente, la germinación inducida de la cebada para que se formen las enzimas responsables de la hidrólisis de los carbohidratos. Este proceso se lleva a cabo en los países productores de cebada y consta de tres pasos:
a) El grano de cebada se remoja hasta que el contenido de humedad se encuentre entre el 42 y 46%. Esta etapa sirve, a la vez, para eliminar la suciedad de la cebada.
b) Cuando el grano de cebada absorbe el agua, se induce la germinación: se modifican las paredes celulares y se activa la formación de enzimas (en particular ami- lasas y proteasas) que empiezan a descomponer el almidón y la protema presentes. Para abastecerse de la energía que requiere este proceso, la semilla empieza a respirar (consume oxígeno y genera calor y dióxido de carbono). Con el fin de asegurar el suministro de oxígeno y eliminar el
OtfWuoí. LAS BEBIDAS ALCOHÓLICAS 115
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La elección y el control del tamaño de las partículas de la harina influyen mucho en la eficiencia de los pasos posteriores de extracción de sustancias y separación de la cáscara. Entre menor sea el tamaño promedio de la harina va a existir un mayor contacto entre las enzimas y los sustratos, y la extracción será mejor; sin embargo, una molienda muy fina reducirá demasiado la cáscara del grano de la cebada, que es una de los principales constituyentes del residuo, y la operación de separación se hace más difícil. Debe seleccionarse un tamaño intermedio que asegure una apropiada extracción y una buena separación.
Hoy, en la práctica, existen dos sistemas de molienda: molido en seco, con acondicionamiento de la cáscara, y molido en húmedo. En el molido en seco, la malta es ligeramente humedecida con agua líquida o en forma de vapor, inmediatamente antes de ser molida; en el molido en húmedo, la malta es puesta en remojo antes de la molienda.
Ambos métodos poseen ventajas y desventajas, por lo que la selección está en función de las características de la cervecería.
empleada varía de una cervecería a otra, pues depende de aspectos como la naturaleza del cereal utilizado, las características del producto deseado, y el tipo y la capacidad del equipo.
Cuando se utilizan adjuntos sólidos, como puntilla de arroz, se tratan primero en un tanque aparte -llamado macerador de adjuntos- por medio del siguiente procedimiento:
a) Al adjunto sólido se le añade una pequeña porción de malta, que proporciona las enzimas para que se lleve a cabo la maceración.
b) La mezcla se calienta hasta ebullición para gelatinizar el almidón.
c) La mezcla se descarga gradualmente en el macerador principal (con lo que, además, se logra incrementar la temperatura del contenido del macerador).
Esta forma de lograr la maceración (con adjuntos) se llama proceso de infusión con doble macerador, y es la que se utiliza en la mayoría de los países de América, incluyendo Costa Rica. El Diagrama 6.2 muestra los dos mace- radores del proceso.
La maceración
En esta etapa se pone en contacto la malta molida con el agua, lo que permite que las enzimas (formadas durante la germinación) degraden los constituyentes de la malta (carbohidratos y proteínas) a formas solubles y, entonces, se origina el líquido que se va a fermentar, denominado mosto.
La mezcla de agua y malta se somete a un calentamiento gradual en el macerador, nombre que se le asigna al tanque donde se lleva a cabo el proceso de maceración. La temperatura
D iagram a 6.2: Los maceradores involucradosen la infusión con doble macerador.Fuente; Adaptado de Teufel (1993).
Cumio 6: LAS BEBIDAS ALCOHÓLICAS ____________119Copyrighted material
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La cerveza filtrada y carbonatada se deja en tanques cerrados; entre el líquido y la tapa se encuentra un espacio con dióxido de carbono gaseoso, que crea una determinada presión sobre la bebida y, así, ayuda a mantener la concentración del gas disuelto. Luego, se traslada al departamento de llenado para ser envasada en botellas, latas o barriles. Las líneas de llenado (Esquema 6.2 y Ilustración 6.4) están formadas por una serie de máquinas y bandas traas- portadoras que, en forma automatizada, envasan gran cantidad de producto a alta velocidad y con el empleo de poco personal.
Cuando se utilizan botellas reciclables, se someten a un proceso de limpieza con una disolución caliente de hidróxido de sodio al 1 ó 2% pA' en máquinas lavadoras especiales.
El llenado y la pasteurización
Ilustración 6 .4 : Sección de la línea de llenado de latas.(Instalaciones de la Cervecería Costa Rica).
Las máquinas llenadoras se encuentran diseñadas con un sistema de válvulas que permite ejecutar la operación en condiciones de cierta presión de dióxido de carbono, para evitar que la cerveza pierda parte del gas que se le ha incorporado o adquiera oxígeno del medio.
La cerveza que se envasa no es totalmente estéril: posee una pequeña cantidad de microorganismos que pueden producir el dete
rioro del producto envasado. Para evitarlo y alargar su vida útil, la cerveza envasada se pasteuriza. Existen grandes túneles de pasteurización que lanzan chorros de agua a diferentes temperaturas. Al pasar por el túnel, la cerveza embotellada se va calentando hasta llegar a los 60 °C; luego, se enfría hasta la temperatura ambiente.
La cerveza cruda o de barril no es pasteurizada; a ello se debe las diferencias en el sabor (más fresco) y la estabilidad (menor) respecto a la pasteurizada. Una cerveza cruda puede tener una vida útil de un mes; si se pasteuriza, aumenta a seis meses. Como existen muchos clientes que prefieren la cerveza cruda, algunas empresas han desarrollado una línea estéril, que en inglés recibe el nombre de draft, para ofrecer cerveza cruda en lata o botella.
El deterioro de la cerveza
La cerveza, durante el proceso de elaboración, puede tener tres tipos de deterioro: microbio- lógico, químico y físico.
El deterioro microbiológico
Los problemas de contaminación de la cerveza por microorganismos indeseables se han logrado minimizar, al implantar estrictas medidas higiénicas en las diferentes etapas del proceso de obtención. Además, los microorganismos que pueden contaminar el mosto lupula- do o la cerveza son pocos, gracias al contenido de alcohol, el pH y el efecto antimicrobiano de algunos componentes del lúpulo. Por estas razones, aunque el producto no se pasteurice, los riesgos de contaminación son bajos.
Los microorganismos indeseables más comunes son: las levaduras silvestres, las bacterias lácticas de los géneros Lactobacillus y Pediococ-
128 M icro b io lo g ía in d u stria i / Ileana A lfaro
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tituía la Unión Soviética) y la templada (Alta Rioja de España, Portugal, el norte de Francia, Alemania, Suiza, Austria, Hungría, y otra parte de Yugoeslavia y de las repúblicas que pertenecían a la Unión Soviética). Los vinos provenientes de cada una de estas regiones son diferentes: los de la primera son suaves, de baja acidez, su contenido alcohólico es relativamente alto y poseen un aroma poco abrutado. Los de la zona templada presentan mayor acidez, menor contenido alcohólico, y sus aromas, afrutados, son sutiles y delicados, por lo que se consideran los vinos más finos.
Un aspecto que influye en las propiedades del vino es la condición climática a la que fueron sometidas las uvas durante su cultivo: este es el factor responsable de la variación en la calidad de los vinos de una cosecha a otra, aun cuando se hayan elaborado en un mismo sitio y por medio de procesos idénticos.
Para producir vino de alta calidad, la uva d e be cosecharse en estado de total madurez, lo que desafortunadamente es muy difícil de l egrar por las restricciones del m ed io o por la dificultad de detectar ese estado óptimo de recolección. Como cualquier otra fruta, el grado de madurez se puede caracterizar por la relación de los contenidos de azúcar (DBrix) y de ácido (pH): durante el crecimiento, el contenido de ácido aumenta, pero empieza a dismi
nuir en la maduración. El punto máximo en la curva de acidez es señalado como el inicio de la maduración; se reconoce por el cambio de color en la fruta, acompañado del incremento en el contenido de azúcar.
El Cuadro 6.5 muestra las características óptimas para las uvas que van a ser utilizadas en la elaboración de algunos tipos de vinos.
Conociendo el contenido de azúcares y el pH de la fruta que se va a cosechar, se puede estimar si la acidez es la correcta para la fermentación y la estabilización del vino terminado, y también el porcentaje de alcohol que se llega a obtener.
La levadura
Al igual que en la cerveza, la levadura más empleada para fabricar el vino es la S. cereui- siae. Dentro de esa especie, las mejores variedades vínicas son la ellipsoideus y la pastoría- nus, que se diferencian de las de la cerveza en cuatro características:
• Tienen formas elípticas o alargadas
• Tienen una menor capacidad fermentativa
• Pueden seguir fermentando en concentraciones de alcohol más elevadas (hasta 18%v/v)
Cuadro 6*5
LOS PARÁMETROS RECOMENDADOS PARA LAS UVAS DESTINADAS A LA ELABORACIÓN DE VINOS
Típo de vino cBri\ Acidez minima (pH) °Br¡x/acidez
Blanco 19,5-23,0 0,70 27,9-33,0
Tinto 20,5-23,5 0,65 31,5-36,2
Dulce 22,0-25,0 0,65 33.8-38,5
Povlre 23,0-26,0 0,50 46,0-52,0
Fuente: García e iá i (1993,291).
134 M ic r o b io lo g ía in d u s t r ia l / Ilfa n a A lfa r o
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• Impedir la acción de enzimas oxidasas sobre los taninos y los colorantes
• Acidificar el medio, porque forma ácido sulfuroso (H2S 0 3).
La cantidad de dióxido de azufre que se debe agregar al mosto depende de numerosos factores: la clase del vino por elaborar, la concentración de azúcares, el pH, el estado sanitario de la vendimia, el volumen de los recipientes, el procedimiento de vinificación y la posibilidad de refrigeración. En agua pura, son suficientes cinco gramos por hectolitro para interferir en la actividad de las levaduras; sin embargo, en los mostos se debe aumentar la dosis entre veinticinco y treinta veces (se agregan de ciento veinticinco a ciento cincuenta gramos por litro) para lograr iguales resultados, ya que parte del dióxido de azufre se combina con otros constituyentes. Sin embargo, si se adiciona en exceso, puede ocasionar que el vino adquiera un sabor indeseable a sulfuro de hidrógeno (H2S).
El dióxido de azufre se obtiene mediante la quema de azufre puro o por la disolución de sus sales; también, se emplean las soluciones líquidas del compuesto. El uso del meta bisulfito de potasio proporciona dos ventajas: la facilidad para adquirirlo, manipularlo y agregarlo, y la precisión que se puede lograr en la cantidad agregada; pero, tiene el inconveniente de aportar a los vinos un exceso de potasio.
La clarificación del mosto
El mosto resultante del prensado puede estar cargado de suciedad procedente de las uvas o del equipo utilizado: partículas sólidas, grumos, esporas y otras sustancias. Esta suciedad debe eliminarse para realizar una fermentación limpia, y la forma más sencilla de hacerlo es por sedimentación. Después del azu
frado, el mosto se deja reposar y las partículas pesadas se depositan en el fondo.
Cuando se requiere una clarificación mejor, se pueden usar otros métodos más complejos, como la filtración o la centrifugación con la adición de agentes especiales tipo gelatina, enzimas pectinolí ticas, bentoníta o carbón activado (para eliminar olores desagradables).
El calentamiento del mosto
Con la idea de inactivar las enzimas que favorecen la oxidación, eliminar los microorganismos indeseables y estabilizar las proteínas, el mosto se somete a un calentamiento de corta duración a 87 °C, seguido de un enfriamiento rápido a 15 °C.
La corrección del contenido de azúcar y la acidez
Como se mencionó, los contenidos de azúcares y ácidos del mosto determinan las características finales del vino; si es necesario corregirlos, es preferible modificarlos en el mosto y no en el vino. En los vinos de calidad estos dos valores se encuentran muy regulados, las adiciones son muy controladas y, en algunos casos, solo se permite trabajar con los parámetros establecidos para la uva en condiciones normales.
Generalmente, se utiliza sacarosa como enri- quecedor; el rendimiento de su transformación en alcohol depende de las condiciones de la fermentación. La cantidad necesaria de este sustrato se determina con base en los datos del peso específico del mosto y la cantidad final de alcohol total que desea alcanzarse. El azúcar que se va a agregar se diluye con una cantidad de mosto tres o cuatro veces mayor; la mezcla se agita hasta que la dilución sea to-
138 M ic r o b io lo g ía in d u s t r ia l / Ilea n a A lfa r o
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EJERCICIOS DE AUTOEVALUACION
1. Establezca las diferencias entre la cerveza, el vino y el ron, en cuanto a:
• Presencia de los procesos de fermentación y destilación en su elaboración
• Principal materia prima empleada para su elaboración y contenido en ella de los azúcares fermentables
• Contenido de alcohol.
2. Describa las diferentes formas de expresar los contenidos de alcohol en las bebidas alcohólicas.
3. Con la información del capítulo complete el siguiente cuadro:
Cerveza Vino
Materias Primas
Microorganismo termentador
¿Cómo se elabora el mosto?
¿De acuerdo con el proceso deelaboración, cuáles son los dosprincipales tipos de bebida?
¿En qué difieren principalmenteesos dos tipos?
Nombre de los tipos de termentadores que se usan
4. Elabore un esquema con las etapas básicas de los procesos de elaboración de la cerveza y el vino.
5. Describa tres defectos y tres enfermedades que pueden presentarse en el vino. Incluya información sobre los efectos o síntomas, las causas, y las formas de prevenirlos o eliminarlos.
151
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Cuadro 7.1
LA CLASIFICACIÓN DE LOS VINAGRES, CON BASE EN LA MATERIA PRIMA
Nombre del vinagre •Materia prima Método de obtención I
Vinagre de vino Vino Fermentación acética del vino obtenido por fermentación alcohólica del jugo de uvas
Vinagre de malla Malta de cebada Fermentación alcohólica de la malta de cebada y posterior fermentación acética del producto
Vinagre de vino de fruía Vinos de frutas Fermentación acética de los vinos obtenidos por fermentación alcohólica del jugo de frutas diferentes de la uva
Vinagre de sidra Jugo de manzana Fermentaciones alcohólica y acética del jugo de manzana
Vinagre de espíritu Alcohol destilado Fermentación acética del alcohol destilado
Vinagre de frutas Frutas Fermentaciones alcohólica y acética de un tipo de fruta madura
zar el estudio de este material, realice la siguiente actividad:
El proceso de elaboración de vinagre a partir de frutas
Como se mencionó, la elaboración de vinagre se puede dividir en dos etapas:
• La fermentación alcohólica de la materia prima que contiene azúcares
• La fermentación acética del alcohol producido.
El procedimiento por seguir en cada etapa depende de: la materia prima, los microorganismos utilizados y las condiciones ambientales. Si la materia prima es una fruta, las etapas del proceso general se exponen en el Esquema 7.1.
Materia prima (fruta)
Vinagre
Esq uem a 7 .1 : Las etapas del p roceso de e lab o ració n
de vinagre a partir de una fruta.
Visite algunos supermercados, revise las etiquetas y apunte la composición de cinco marcas de vinagre que se expendan. Construya un cuadro que muestre los contenidos y las marcas. Comente las diferencias
y similitudes entre ellos.
CMíwio7: LA PRODUCCIÓN DE VINAGRES Y VEGETALES FERMENTADOS __________159Copyrighted material
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El proceso de elaboración del sauerkraut es bastante sencillo. Sus etapas se resumen en el Esquema 7.2 y se describen a continuación.
Repollo
Esq uem a 7.2: Las etapas del proceso de elaboracióndel sauerkraut.
El acondicionamiento
Al inicio, se eliminan las hojas superficiales del repollo; luego, se parte en dos y se le extrae el corazón. Posteriormente, el repollo se lava para eliminar la suciedad que pueda contener y, así, evitar la contaminación con microorganismos indeseables. Es importante mencionar que no se debe adicionar ningún aditivo al agua, como doro, ya que podría eliminar por completo los microorganismos que se encargarán de la fermentación.
El repollo se pica con una cortadora en rebanadas de 0,1 cm de grosor aproximadamente; de esta forma, se aumenta en gran medida el área superficial, lo que beneficia tanto la extracción de los líquidos del repollo como el desarrollo de los microorganismos.
La adición de sal
Las principales funciones de la sal en el proceso de elaboración del sauerkraut son las siguientes:
• Extraer -del repollo- el agua, los azúcares, las proteínas y otras sustancias que son utilizadas por los microorganismos para su desarrollo.
• Favorecer la fermentación láctica, ya que inhibe el crecimiento de otros microorganismos.
• Contribuir al sabor, el aroma y la firmeza del producto final.
El repollo se debe mezclar muy bien con la sal. Normalmente, se utiliza ima concentración de un 2,5% p/p (2,5 kg de sal por cada 100 kg de repollo y sal). Una concentración mayor favorece la extracción de jugos del repollo así como la firmeza del producto final; sin embargo, puede inhibir los microorganismos participantes en la fermentación. Luego, el repollo se coloca en el termentador (puede ser un recipiente plástico).
La fermentación se inicia cuando, por efecto del contacto entre la sal y el repollo, se extraen los jugos de este último y se forma una salmuera, es decir, una disolución de la sal en el jugo del repollo. En esta salmuera están disueltos los nutrimentos necesarios para el desarrollo de los microorganismos.
El picado
cwruto7'. LA PRODUCCIÓN DE VINAGRES Y VEGETALES FERMENTADOS __________165
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Una vez fermentados los vegetales, se prepara el encurtido o medio con el que se mezclarán. El medio se formula a partir de vinagre, ácido acético o mostaza; además, se le agregan otros compuestos. La formulación de un medio con ácido acético se expone en el Cuadro 7.3.
Cuadro 7.3
LA FORMULACIÓN DE UN MEDIO PARA ENCURTIDOS
La preparación del medio
Ingrediente Concentración (g/< )
Ácido acético 0,25
Sal 0,15
Azúcar 0,40
Bisulfito de socio 0,20
Laurel 0,2*
• en ftVg de vegetale*
Fuente: Bonilla et a/, (s.f., 50j.
La mezcla de vegetales con el medio preparado
Los vegetales se mezclan con el encurtido preparado en una proporción 60:40, es decir, el 60% del peso corresponde a los vegetales y el resto al medio. La mezcla se calienta hasta ebullición y, luego, sin dejar que se enfríe, se envasa.
El empaque y el enfriamiento
Los encurtidos se envasan en recipientes de vidrio o en bolsas plásticas. Los recipientes deben ser esterilizados previamente, por medio del procedimiento que se indicó en el proceso para la elaboración del repollo ácido.
El llenado, como se mencionó, se realiza en caliente, y el recipiente se debe tapar inmediatamente; luego, se deja enfriar a la temperatura ambiental. Mediante este tratamiento, se logra un envasado al vacío, ya que el vapor originado por el producto caliente expulsa el aire y ocupa su lugar dentro del recipiente; cuando el frasco se enfría, el vapor se condensa y se genera un varío.
o n 7VX0 7 : LA PRODUCCIÓN DE VINAGRES Y VEGETALES FERMENTADOS 169Copyrighted material
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CAPITULO
LA PANIFICACION
i1
S u m a r io
Introducción
Los ingredientes utilizados en la e lab o rac ió n del pan
El proceso de elaboración del pan
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Las gluteninas y las gliadinas representan el 85% de las proteínas de la harina de trigo; se combinan con el agua para formar el "gluten", que permite a la masa retener el gas. Las gluteninas hidratadas forman una masa muy elástica, mientras que las gliadinas configuran una masa más fluida, viscosa y poco elástica. Por lo tanto, las gluteninas son responsables de la elasticidad de la pasta, es decir, su capacidad de estirarse y recuperar su apariencia original, mientras que las gliadinas le adjudican su extensibilidad. Estas dos proteínas se encuentran en proporciones similares y, cuando hay variaciones, la influencia de cada una de ellas se percibe en el pan.
Para conocer la textura del gluten, realice la siguiente actividad.
Moje un poco de harina con agua, colóquela en un colador y amásela con más agua hasta
que el agua de lavado sea transparente y se obtenga una masa hulosa y resistente.
Esta masa es el gluten.
La sal
La sal se le agrega a muchos alimentos preparados; el pan es uno de ellos. Las funciones de este ingrediente en el pan se citan a continuación.
• Mejora su sabor, ya que la sal resalta los sabores de algunos de los otros ingredientes.
• Contribuye a mantener la humedad del pan una vez horneado, a causa de su alta higroscopicidad (capacidad de absorber agua de la atmósfera).
• Fortalece la retención del gas y facilita el manejo de la masa, porque estabiliza y contrae el gluten.
• Ayuda en el control del proceso de fermentación. Cuando se requiere que la fermentación sea lenta, se adiciona una mayor cantidad de sal (siempre dentro de ciertos límites para que no afecte negativamente el sabor), ya que la sal limita el crecimiento de la levadura y restringe el crecimiento de otros microorganismos indeseables.
El azúcar
El azúcar tiene una serie de funciones importantes en la elaboración del pan; las principales son:
• Favorece el sabor.
• Es el causante de la generación del color dorado de la corteza del pan al hornearlo. Esto es debido al compuesto llamado me- lanoidina, resultante de la reacción entre los azúcares y los grupos amino de las proteínas.
• Ayuda a retener la humedad del pan una vez horneado, debido a su propiedad higroscópica.
• Es el sustrato que utilizan las levaduras para su metabolismo. El almidón de la harina es hidrolizado en azúcares por las enzimas presentes en ella, pero el proceso de hidrólisis del almidón es lento y gradual. Entonces, para que, al inicio, la levadura se reproduzca rápidamente, es necesario adicionar azúcar. Otra razón para agregar azúcar es que la concentración inicial de monosacáridos y disacáridos no supera el 0,5%, lo cual es insuficiente para mantener una velocidad adecuada de fermentación.
(M imo8: LA PANIFICACIÓN [ 181Copyrighted material
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OBJETIVOS
a) Definir el concepto de proteína unicelular,
b) Explicar el proceso de producción de la protema unicelular y el de los hongos comestibles.
c) Indicar, respecto de la proteína unicelular, los hongos comestibles, los ácidos orgánicos y las enzimas:
• Los microorganismos involucrados en cada proceso.
• Los sustratos adecuados para el desarrollo de cada microorganismo.
• Las condiciones ambientales óptimas tpH, temperatura, oxígeno, entre otras) para que los microorganismos crezcan, en el caso de la producción de biomasa, o metabolicen el compuesto deseado.
• La utilidad industrial.
192 M ic r o b io lo g ía in d u s t r ia i / A L IC IA H lk n á n d é z
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5% en las levaduras producidas a partir de alcanos y un 15%, en las bacterias obtenidas del sustrato metanol. Como se mencionó, el consumo de ácidos nucleicos es perjudicial al ser humano; en ese caso, se deben eliminar estos ácidos de la proteína. Por el contrario, la mayoría de los animales son capaces de metabolizar los ácidos nucleicos y excretarlos en la orina, por lo que su presencia no es un inconveniente.
• La presencia de sustancias tóxicas. Existe la posibilidad de que el microorganismo contenga restos del sustrato, ya sea internamente o como contaminación, lo cual es peligroso si el sustrato utilizado para la producción de PUC es tóxico, como lo son algunos hidrocarburos; otras veces, el microorganismo puede producir metabólica- mente sustancias tóxicas. Por lo tanto, se deben hacer pruebas exhaustivas para comprobar la ausencia de compuestos tóxicos en el producto.
Para ilustrar la producción de microorganismos como objetivo principal de la fermentación, realice la siguiente actividad.
Mencione algún proceso en el que se produzcan microorganismos, en forma masiva, en el país.
Especifique su destino final.
La PRODUCCIÓN DE HONGOS COMESTIBLES
La producción de setas u hongos de sombrero
El consumo humano de hongos cultivados se practica desde antes del nacimiento de Cristo, principalmente en los países asiáticos. En el Cuadro 9.4, se indican algunas de las especies de hongos o setas que se consumen, en la actualidad, a escala mundial.
Cuadro 9.4
ALGUNOS HONGOS COMESTIBLES
Nombre científico Nombre común
Agaricus bisporus Champiñón
Lcntinus cdodes Shiitake
Volvariella volvacea Hongo chino
Flamulina velutipes Hongo de invierno
Pleurotus ostreatus Hongo ostión
Pholiota nameko Nameko
Auncularia sp. Auricularia
Amanita silváticas Hongo de basura
Helvca crispa Orejitas de ratón
Ustilago maydís Huitlacoche
Tutxr mclanosporum Trufas
Fuente: Adaptado de Leal (1993).
Los hongos se clasifican como organismos he- terótrofos. Algunos, como el huitlacoche, son parásitos; otros, como el champiñón y el shii- take, son saprofitos o, como las trufas, forman asociaciones con las plantas.
Los hongos se utilizan como complemento en las comidas; el que más se consume a escala mundial es el Agaricus bisporus, que se muestra en la Ilustración 9.1. Este hongo, según reporta Leal (1993,353), contiene de un 82 a un 85% de humedad y un 7,75% de proteínas en base seca. Sus proteínas poseen todos los aminoácidos esenciales y algunos minerales, como el potasio, el fósforo, el hierro y el manganeso; además, es rico en vitaminas del complejo B. Por lo anterior, el champiñón es un alimento no solo agradable desde el punto de vista organoléptico, sino de gran valor nutricional.
El ciclo de vida de los champiñones se divide básicamente en dos etapas:
• La fase vegetativa.
• La fase generativa.
ghouo 9: LA PROTEÍNA UNICELULAR Y OTROS PRODUCTOS UTILIZADOS 201
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pleados así como los usos posteriores varían según la enzima involucrada; esa información se muestra en el Cuadro 9.5.
Al igual que en la producción de otros metabo- litos de interés mencionados, los microorganismos no producen las enzimas en las cantidades necesarias desde el punto de vista industrial, por lo que se debe estimular su sobreproducción. Esto se hace, hoy, por manipulación genética de los microorganismos o por medio de cepas mutantes. Sin embargo, aunque se tenga un microorganismo con un alto rendimiento de producción de una determinada enzima, es importante llevar a cabo su recuperación en una forma apropiada: en esta etapa, se debe asegurar la permanencia de la actividad de la enzima, ya que de nada vale obtener grandes cantidades de ella, si va a perder su actividad durante la recuperación y la purificación.
Las principales etapas de recuperación de las enzimas son la ruptura celular (en el caso de
enzimas intracelulares) y la separación de los sólidos (por medio de centrifugación o filtración). La purificación de las enzimas se puede llevar a cabo por una serie de operaciones, entre las que se pueden mencionar: la precipitación de la enzima por fuerza iónica (salting out), la precipitación de la enzima por solventes orgánicos miscibles, la ultrafiltración y la cromatografía de adsorción. Las etapas que se utilicen dependen del proceso de producción de la enzima. En el Capítulo 3 de este texto y en libro de Illanes (1994) se puede encontrar más información sobre cada una de estas etapas.
Para complementar el estudio del tema, realice la siguiente actividad.
Investigue la razón por la cual no se producen ácidos orgánicos, aminoácidos ni enzimas
en el país. (Puede consultar a profesionales afines al área).
Cuadro 9.5
ALGUNAS ENZIMAS DE INTERÉS INDUSTRIAL OBTENIDAS POR FERMENTACIÓN
Sustrato Microorganismo Enzima obtenida Usos
Almidón de papa, pasta de soya, malta y carbonato de calcio
Mucor miebei Proteasa Fabricación de queso
Almidón Bacillus licheniformis Aspergillus oryzae Bacillus amyloliquetaciens
a-amilasa Obtención de jarabes con glucosa,maltosa y oligosacáridos
Almidón Aspergillus niger Amiloglucosidasa Obtención de jarabes con glucosa,maltosa y oligosacáridos
Pecti na Aspergillus niger Pectinasa y Hemicelulasa Clarificación de jugos de frutas y vinos
Glucosa Bacillus coagulans Streptomyces phaechromogenes Streptomyces olvaceus Streptomyces o/ivochromogenes
Glucosa isomcfasa Obtención de fructosa
Sacarosa Leuconostoc mesenteroides Dextransacarasa Obtención de dextranas
Lactosa Aspergillus oryzae, Kluyveromyces lactis, Kluyveromyces fragilis Candida pseudotropicalis
Lactasa Obtención de glucosa y galactosa
(M u lo * LA PROTEÍNA UNICELULAR Y OTROS PRODUCTOS UTILIZADOS 207Copyrighted material
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214 M ic r o b io lo g ía in d u s t r ia l i A lic ia H ík n á n d íz
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Por cada treinta y cinco gramos de carbono presentes en los carbohidratos, los triglicéri- dos y las proteínas del sustrato que se va a degradar, debe haber un gramo de nitrógeno, que proviene principalmente de las proteínas (relación 35:1). Si la diferencia es menor, existe un exceso de nitrógeno que es excretado de la célula en forma de amonio o de amoniaco, según el pH: en un pH ácido, gran parte se mantiene como ion amonio, de fácil lixiviación; en un pH alcalino, el amonio se transforma en gas amoniaco, que se evapora (su presencia se detecta por su olor a orín humano). La reacción en un pH alcalino es la siguiente:
NH4* + O H -*• N H j (gas) + H20
Amonio Amoniaco
La formación de amoniaco no es conveniente, porque la disipación del gas implica la pérdida de nitrógeno, nutrimento esencial para la fertilidad de los suelos; además el amoniaco contamina la atmósfera y perjudica la salud humana.
La eficiencia de la producción de biomasa a partir de las proteínas es similar a la que se logra a partir de los carbohidratos, es decir, aproximadamente 50% de la proteína se convierte en biomasa.
La b iod eg rad ación d e la lignina
La lignina es una macromolécula formada por múltiples sustancias fenólicas, derivadas del ácido cinámico. Es el componente más resistente a la biodegradación y, en condiciones anaerobias, es prácticamente no biodegrada- ble. Los mecanismos de las reacciones químicas y bioquímicas que ocurren aún no están bien dilucidados, pero la presencia de oxígeno molecular es imprescindible en el proceso. Un producto inmediato que se obtiene es el hu
mus, que es la fracción orgánica del suelo que presenta el mayor avance de biodegradación.
El proceso anaerobio de biodegradación
La ausencia de oxígeno en el medio obliga, a los diferentes organismos, a trasladar, durante la glucólisis, el hidrógeno (del NADH2) a otra sustancia (diferente del oxígeno). Por ejemplo, en las levaduras que producen la fermentación etanólica, el NADH2 entrega sus electrones (hidrógenos) al acetaldehído y lo reduce a etanol, mediante la reacción:
ReducciónC H j-C H O + N A D H j ► C H 3-C H H O H + NAD*
Acetaldehído Elanol
En el caso de las bacterias lácticas, el NADH2 cede sus electrones al ácido pirúvico, y se obtiene ácido láctico:
ReducciónCHj- CO - COOH 4 NADH2 — ► CHr CHOH-COOH + NAD*Ácido pirúvico Ácido láctico
Debido a que el sustrato no se oxida hasta C 0 2 y H20 , la energía contenida en la glucosa es aprovechada tan solo en una vigésima parte. Por esta razón, la producción de biomasa en los procesos anaerobios es veinte veces menor que en los procesos aerobios. Esto representa ventajas y desventajas para los procesos de tratamiento de aguas y desechos sólidos. Cuando el proceso de tratamiento es anaerobio, la ventaja consiste en la baja producción de biomasa residual y la desventaja en que el crecimiento de la flora microbiana es muy lento. Si el tratamiento se lleva a cabo por un proceso aerobio la situación es inversa: hay un crecimiento acelerado de la flora (ventaja), pero se generan muchos lodos de desechos que deben ser tratados (desventaja).
oxm om EL TRATAMIENTO 8IOTECNOLÓGICO DE LOS DESECHOS SÓLIDOS 221Copyrighted materia!
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Una vez agotadas las fuentes de fácil biode- gradadón, la temperatura disminuye hasta alcanzar aproximadamente los 30 °C. En este proceso de disminudón de la temperatura se enmarca la tercera fase.
La cuarta fase comprende el periodo de maduración, en el que la temperatura del sustrato desciende hasta llegar a la del ambiente.
El producto final debe presentar las características que se muestran en el Cuadro 10.3.
Cuadro 10,3
LAS CARACTERÍSTICAS DESEABLES DE LA COMPOSTA
Parámetro ValorMateria orgánica 20 -40% p/p
Nitrógeno 0,8 * 1,8% p/p
Relación carbono:rutrógeno 10:1 -20:1
Contenido de humedad 40 - 50 % p/p
Densidad aparente 0,5 - 0,8 kg/f
pH 7,5-8
Fuente: Backhus ( 1995. 71.
Los componentes minerales y orgánicos de la composta se encuentran en forma de macro- moléculas de difícil biodegradación (lignoce- lulosa, lignoproteínas y áddos húmicos), por lo que este sustrato representa una valiosa reserva de nutrimentos para la flora edáfica y se emplea como abono.
Se ha encontrado que la composta brinda las siguientes ventajas a los cultivos:
• Suministra nutrimentos de difícil lixiviadón.
• Mejora la estructura del suelo.
• Aumenta la población de lombrices.
• Aumenta la flora edáfica.
• Actúa como retenedor de humedad
• Favorece el escurrimiento del agua de exceso.
Si la relación carbonoinitrógeno es mayor que veinte, el producto, al ser aplicado, toma el nitrógeno disponible en el suelo para convertirlo en biomasa microbiana y, por lo tanto, provoca un bajo rendimiento del cultivo, a causa de la deficiencia momentánea de este elemento.
El contenido de humedad recomendado se fundamenta en razones de índole económica y biológica: el producto debe contener más del 40% de agua con el fin de asegurar la actividad de microorganismos beneficiosos para la flora edáfica; pero, por razones económicas, no debe superar el 50% de agua, pues al agricultor no le interesa comprar agua.
En una investigación sobre la eficiencia de la producción de sorgo, en condiciones de invernadero, se encontró que solo las compostas con las concentraciones mínimas y máximas, que se indican en el siguiente cuadro, dieron resultados satisfactorios en el análisis de la productividad.
Cuadro 10.4
CONTENIDO DE LAS COMPOSTAS QUE PRODUCEN BUEN RENDIMIENTO EN SORGO
Sustancia H ,0 *
Mat.org N P Ca Mg K
Concentración (%) -Máxima Mínima
50 30 1,2 1,0 0,1 0.4 0,6
Relación C:N 17:1
Fuente: Arroyo (1997, 64).
No existe consenso mundial sobre los valores máximos permitidos de las concentraciones de los metales pesados que contiene la composta; en el Cuadro 10.5 se muestran los valores que rigen en los países de la Unión Europea.
Ort>uo 10: EL TRATAMIENTO BIOTECNOLÓGICO DE LOS DESECHOS SÓLIDOS 227Copyrighted material
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las desiertas arenas y ruinas de orgullosas civilizaciones.
El objetivo de toda planta de tratamiento de aguas residuales es remover la materia -biodegradable y no biodegradable- con la que el líquido ha sido contaminado. En Costa Rica, más del 90% de las aguas residuales de la industria y domiciliares no son tratadas. A partir de 1992, los principales contaminantes de los ríos de Costa Rica -los beneficios de café y los ingenios de azúcar- fueron obligados a dar tratamiento a sus aguas residuales para reducir la carga contaminante: desde un valor de quince mil y mil miligramos de DB053 por litro, respectivamente, hasta un valor de mil y ciento cincuenta miligramos de DBO5J0 por litro.
Según el estado físico en que se encuentren los contaminantes de las aguas, se diferencian tres tipos de estos materiales:
• Sólidos sedimentables (arena, material biodegradable y objetos).
• Sólidos suspendidos (coloides y microorganismos).
• Sólidos disueltos (compuestos orgánicos e inorgánicos).
De acuerdo con la procedencia, las aguas residuales se clasifican en:
• Ordinarias: generadas por las actividades domésticas de seres humanos.
• Especiales: generadas por cualquier otra actividad diferente a la doméstica.
En Costa Rica, el marco legal que determina las cantidades máximas de contaminantes está definido en el Reglamento de vertido y reuso de aguas residuales, publicado en La Gaceta del 19 de junio de 1997. En el próximo cuadro se ofrece la frecuencia mínima de muestreo de los indicadores más importantes.
La ley establece, además, los valores máximos de diferentes parámetros que varían según el destino de las aguas: vertidas en el alcantarillado sanitario o en cuerpos de agua (ríos, lagos, estuarios, manglares, entre otros). En el Cuadro 10.8, se presentan los valores relacionados con la depuración biotecnológica de las aguas. La lista completa de valores máximos puede ser consultada en los dos primeros cuadros del Anexo de este capítulo.
Existen diferentes procesos de tratamiento de aguas residuales, sin embargo, todos tienen en
Cuadro 10.7
LA FRECUENCIA MÍNIMA DE MUESTREO Y LOS ANÁLISIS PARA AGUAS RESIDUALES DE TIPO ORDINARIO Y ESPECIAL
Parámetro Caudal (mVdíal
<50
TtPO ORDINARIO
50 a 100 > 100
pH, sólidos sedimentables y caudal
Grasas y aceites» DBOs 2(>; coüíormes y sólidos suspendidos totales
Mensual
AnualSemanalSemestral
Diario
Trimestral
<10
Tipo e sp íc ia i
10a 100 > 100
Temperatura, pH. sólidos sedimentables y caudal Otros parámetros obligatorios
Mensual
Anual
Semanal
SemestralDiaria
Trimestral
Fuente: U Gaceta <19 de junio de 1997).
M w io w EL TRATAMIENTO BIOTECNOLÓGICO DE LOS DESECHOS SÓLIDOS 233Copyrighted materia!
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Salida de aire
Diagrama i0.5: Un biorreactor de torre (Cía. Bayer).Fuente: Adaptado de Dellweg (1987).
El de torre biológica. El sistema de torre, desarrollado por la empresa Bayer (se representa en el Diagrama 105), aprovecha la presión hidrostática que ejerce la columna de agua. La entrada de aire está ubicada al fondo del tanque sobre la entrada del agua residual; esto permite la generación de turbulencias y burbujas de pequeño diámetro, que facilitan la disolución del oxígeno. El tiempo de retención (de permanencia del agua) es de catorce horas y media. El reactor mide veintiséis metros de diámetro por treinta metros de altura y tiene una capacidad para contener trece mil seiscientos metros cúbicos de líquido.
El sustrato entra al tanque por la parte inferior y, ahí, se mezcla con aire fresco. Asciende a través del biorreactor y, por vasos comunicantes, pasa al tanque sedimentador ubicado en la parte superior. Aquí, los lodos sedimentables se separan y el líquido -claro y tratado- sale. Parte de los lodos pueden ser reincorporados al sistema mediante una tubería que viene del tanque sedimentador y, así, se mantiene la cantidad suficiente de microorganismos activos.
Los tratamientos anaerobios de aguas residuales
Desde principios del siglo XX , los procesos anaerobios se limitaron al tratamiento de lodos provenientes de procesos aerobios. Sin embargo, el aumento del precio de los combustibles ha elevado los costos energéticos de la incorporación del aire y, por lo tanto, el tratamiento anaerobio se ha convertido en un proceso rentable, sobre todo en el caso de aguas residuales con una DBO520 superior a diez mil miligramos por litro.
Debido al lento crecimiento de las bacterias en condiciones anaerobias, el diseño de los diferentes reactores tiene como objetivo la reincorporación o retención de la mayor cantidad de biomasa microbiana.
Al igual que en el tratamiento anaerobio de desechos sólidos, es preferible efectuar la hidrólisis, la ácidogénesis así como la acetogé- nesis en una fase, y la metanogénesis en otra.
Los procesos anaerobios más comunes se realizan en tres tipos de biorreactores:
oifíuo ta EL TRATAMIENTO BIOTECNOLÓGICO DE LOS DESECHOS SÓLIDOS _________239Copyrighted material
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sa a partir de la utilización de sustancias orgánicas, con la presencia o ausencia del oxígeno.
2. Las formas más comunes para clasificar un proceso fermentativo son:
• Con base en la naturaleza del producto por obtener, debido a su importancia económica. Entre los productos que se obtienen de las fermentaciones se encuentran: biomasa, enzimas microbianas y metabolitos primarios o secundarios.
• Con base en la presencia o ausencia de oxígeno en las fermentaciones; pueden ser aerobias y anaerobias.
3. Algunos productos de interés industrial obtenidos por fermentación se pueden encontrar en el Cuadro 3.1.
4. Las rutas bioquímicas más comunes para la producción de diversos metabolitos, por utilización de sustancias orgánicas como fuente de carbono y energía, son la glucólisis y el ciclo de Krebs. Una breve explicación de ellas se encuentra en la sección Las rutas bioquímicas de las fermentaciones.
5. a) Un fermentador es un recipiente en el que se lleva a cabo la fermentación,en condiciones controladas.
b) Las características de un fermentador se encuentran enumeradas en la sección Los fermeniadores.
6. Los tipos de reactores más utilizados son el matraz erlenmeyer, el de tanque agitado y el de elevación con aire. Además, no se puede dejar de mencionar el de disco rotatorio debido a su gran importancia en el tratamiento de aguas residuales.
7. Cultivo eti lote: el sistema se inicia con la adición de los nutrimentos y el microorganismo en condiciones controladas. La operación es por tiempo limitado, sin adición de medio de cultivo ni microorganismos.
Cultivo continuo: en este sistema se suministra la solución de nutrimentos a los microorganismos, a la misma velocidad con la cual se extrae medio de cultivo gastado y que contiene microorganismos y metabolitos. Se opera bajo condiciones de estado estacionario.
8. Los compuestos de interés en una fermentación son generados en diferentes etapas del crecimiento del microorganismo, entonces, si se conoce la fase durante la cual se presenta la mayor concentración del producto de interés, es posible manipular las condiciones de fermentación, de tal forma que se extienda dicha fase. También, se pueden manipular las condiciones de cultivo para regular la actividad metabòlica del microorganismo.
9. Las dos técnicas básicas de cultivo continuo son el mezclado homogéneo, que se puede realizar por quimiostato y turbidostato, y el flujo tapón. La información sobre ellas se encuentra en la sección El cultivo continuo.
10. Las ventajas y las desventajas del cultivo continuo se enumeran en la sección Las vetitajas y las desventajas del cultivo continuo en relación con el cultivo en lote.
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c) Estos productos pueden elaborarse con o sin cultivos iniciadores, ya que los microorganismos involucrados se encuentran en el aire y en la superficie de los vegetales o las frutas; sin embargo, es importante recordar que se obtendrá un producto de mejor calidad si se emplean los cultivos iniciadores.
7. Las ventajas y desventajas de los dos métodos indicados de producción de vinagre, se resumen en el siguiente cuadro:
M é t o d o V entajas DE5VENTAIAS
Orleans • Simple • lento• Equipo sencillo y barato ♦ Regimientos no mayores del 85%• Puede ser operado en pequeña
escala
Acetificación • Alto rendimiento {del 95 al 98%) • Elevada inversión inicial en equiposumergida • Rápido • Gran consumo de electricidad
• Proceso semicontinuo • Se deben controlar muv bien lasr
• Vinagre de calidad uniforme condiciones del proceso para teneruna calidad uniforme
8. El proceso de elaboración del sauerkraut se describe en la sección El repollo ácido o sauerkraut.
9. Dos posibles efectos de no agregar sal durante la fabricación del sauerkraut, son:
• El proceso de fermentación láctica no se llevaría a cabo o sería muy lento, ya que los compuestos requeridos por los microorganismos para su metabolismo (los nutrimentos) no estarían disponibles (no serían extraídos del repollo).
• Podrían crecer microorganismos diferentes a las bacterias lácticas, ya que la sal es un inhibidor de microorganismos indeseables.
10. Los encurtidos son conservas de vegetales obtenidos por cocción o por fermentación. Pueden ser mixtos (mezcla de vegetales) o de un solo tipo de vegetal. Se pueden preparar en trozos o enteros.
11. El proceso de elaboración de un encurtido fermentado se describe en la sección Los encurtidos.
C ap ítu lo 8 : LA PANIFICACIÓN
1. Si la levadura se seca por medio de calor, lo más probable es que el microorganismo muera y, entonces, no es útil.
2. La principal ventaja de un pan preparado a partir de levadura se encuentra en el sabor, porque, en la fermentación, no se produce únicamente etanol y dióxido de carbono, sino además una serie de compuestos orgánicos, tales como, los ácidos láctico, acético, butírico y succínico, que contribuyen con el sabor del pan. Además, el crecimiento de la levadura, y por ende la producción de los compuestos tales como el dióxido de carbono, es gradual, lo que beneficia el desarrollo del volumen de la miga, mientras que el efecto de los polvos de hornear es prácticamente inmediato (de una sola vez se produce todo el gas).
262Copyrighted material
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AUCIA HERNANDEZ PEÑARANDA ILEANA ALFARO ÀLVAREZ RONALD ARRIETA CALVO
Lkemioda en Tecnología de Alimentos, Lketictodo en Tecnología de ARmentos, MSc. Ing. en Tecnología de Alimentos,Universidod de Costa Rica, 1988. Universidad de Costo Rica, 1987. Universidod Técnica de Berlín, 1977MSc. con honores en Biotecnología, Realizo pasantías de tres meses cada una Dr. en Biotecnología Ambiental, UniversidadDeportamento de Biotecnología del Centro . en el área de fermentaciones, en ICAIT1 Técnico de Berlín, 1991. Ha posodode Investigación y de Estudios Avonzados del (Geatemala, 1987), CODETEC (Brasil, 1991) cursos de espeáolización en manejo deInstituto Politécnico Nacional (CINVESTAV), y Cervecería del Ború, S.A. (Panamá, 1993). desechos sólidos biodegradables en la mismaMéxico, 1995. Profesora investigadora Fue profesora investigadora del Centro de universidod (1990), asi como cursos dedel Centro de Investigoción en Productos Investigodón en Productos Naturales especialhoción en manejo de desechos sóidosNaturales de la Universidad de Costa Rica (CIPRONA) de lo Universidod de Costa Rico reciclables en la Universidod de Stuttgart(CIPRONA) desde 1989. Dentro de sus desde 1986 basta 1990, y profesora 1995. Es profesor investigador de lafunciones principales se encuentro el generar investigadora de la Unidad de Transferencia íscuela de Química de la Universidod de Costay ejecutar proyectos de mvestigoción, osí de Tecnología (UTT) de la Vkerrectoria de Rica desde 1983 y Director del Trabajocomo organizar actividades científicas Investigodón de la Universidad de Costa Rka Comunal Universitario "Apoyo a lo gestiónrelacionados con su área de preparación. desde 1990 basta 1993. Laboró como comunal en el manejo discriminadoEs profesora del posgrado en Tecnología gerente de caldod de la Cervecería Americana de desechos solidos" desde 1996.de Alimentos de la Universidod de Costa Rica en Costa Rka desde 1993 hasta 1995, Fue consultor en la elaboración del diognóstkodesde 1997 y profesora colaboradora del a lo vez que colaboró en la instaloción »obre el manejo de los desechos sólidosposgrado en Químico también de la y la puesta en marcha de la empresa, w Costo Rico para el PNUD en 1995Universidad de Costa Rka desde el 2000. y en la implementoción del sistema de calidad, y diseñador del Sistema Integrado de ManejoAdemás es miembro invitado del Consejo Es profesoro de la Escuela de Tecnología y Aprovechamiento de Desechos SóBdosAsesor Gentifico del CIPRONA desde 1990. de ARmentos de lo Universidod de Costo Rko *n el mismo año.
desde 1999, y fundadora y gerente de uno ReoBxó el diseño y la puesta en marcha deempresa de elaborodón de chocolates cuatro plantas de abono orgónko en Costapersonalizados desde 1995. Rko desde 1994 hasto el 2000. También
Reafizó el diseño y la puesta en marcha del centro de ocopio y la planta de compostoje del Hotel Irazú en 1996, asi como •I diseño y la puesto en marcha del centro de acopio de Santa Ana en 1999. Fue consultor y ejecutor de la asesor» sobre diagnostico y capacitación en manejo de desechos sólidos en cinco comunidades turistkos parael KT en el 2001.