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PAPEL DE LOS MICROORGANISMOS EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS

Dr. Raquel Virto ResanoLogroño 23-Abril-2013

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1. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA POR PARTE DE LOS ORGANISMOS VIVOS.

2. SEGUIMIENTO DE LA POBLACION MICROBIANA DURANTE LA FERMENTACION

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1.1. VIA RESPIRATORIA:

1.2. VÍA FERMENTATIVA: LEVADURAS

1.3. VÍA FERMENTATIVA: BACTERIAS

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GLUCÓLISIS

1 GLUCOSA 2 PIRUVATO


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GLUCÓLISIS1 GLUCOSA 2 PIRUVATO

1. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA POR PARTE DE LOS ORGANISMOS VIVOS.PAPEL DE LOS MICROORGANISMOS EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS

38 ATPs

2 ATPsVÍA RESPIRATORIA

O2

VÍA FERMENTATIVA

ETANOL(levaduras)

ÁCIDOS ORGÁNICOS

(bacterias)

O2

RUTAS BIOSINTÉTICAS

PRODUCCIÓN DE COMPUESTOS/ADITIVOS/

INGREDIENTES

O2 O2

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GLUCOSA + O2 CO2 + H2O


1.1. VIA RESPIRATORIA:

Siempre que haya oxígeno disponible, la respiración será la ruta preferida de los microorganismos que puedan trabajar en presencia y/o ausencia de oxígeno.

ATP 38 ATP, 2 CO2 y 6 H2O

VINAGRE (bacterias acéticas)

piruvato

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BACTERIAS

ACIDO ORGÁNICOS

LEVADURAS

ETANOL


1.2. VIA FERMENTATIVA

1. Libera energía a partir de azúcares u otras moléculas orgánicas

2. No necesita oxígeno

3. Como producto final hay una molécula orgánica

GLUCÓLISIS

GLUCOSA

PIRUVATO Embden Meyerhof

Parnas

PIRUVATO

VÍA FERMENTATIVA O2

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AZÚCARES ETANOL + ácidos orgánicos + CO2

La fermentación produce menos energía que la respiración, pero permite a los microorganismos desarrollarse en ausencia de oxígeno o permite que proliferen microorganismos que sólo pueden hacerlo en ausencia de éste.

ATP 2 ATP


1.2. VIA FERMENTATIVA: LEVADURAS

- Se produce muy poca energía

- Industria VINO- Industria CERVEZA- Industria PAN

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1. La bacteria producen más ácidos orgánicos que las levaduras

2. Principalmente se produce ácido láctico

3. La glucosa no es el único azúcar que puede ser utilizado. La capacidad de utilizar

otros azúcares varía en función de las especies y las cepas.


1.3. VIA FERMENTATIVA: BACTERIAS

BACTERIAS LÁCTICAS

FERMENTACIÓN LÁCTICA

FERMENTACIÓN MALOLÁCTICA

- Se produce muy poca energía

- Industria LÁCTEA- Industria PAN/BOLLERÍA

- Industria CÁRNICOS

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RESUMEN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE FERMENTACIONES QUE TIENEN COMO VÍA COMÚN LA GLUCÓLISIS


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2.1. UNA BACTERIA AL CRECER DEBE..

2.2. CRECIMIENTO DE LA POBLACIÓN CELULAR

2.3. FACTORES GENERALES QUE AFECTAN A LA FERMENTACIÓN

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PRODUCIR O SINTETIZAR:

- Material celular a partir de sustancias nutritivas

REGULAR ESTA SÍNTESIS:

- Síntesis ordenada de los componentes estructurales

DIVIDIRSE EN DOS CÉLULAS



2.1. UNA BACTERIA AL CRECER DEBE..

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Es el incremento en el número de células en una población, también se puede cuantificar como un incremento en la masa bacteriana

El ritmo de crecimiento depende de la especie, del medio de cultivo, de las condiciones del medio

Velocidad de Crecimiento

Cambio en el número de células o biomasa por unidad de tiempo

Tiempo de Generación

Tiempo requerido para que a partir de una célula se formen dos células (tiempo de duplicación)




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FASE DE REPOSO = FASE DE LATENCIA

Después de la inoculación, la población permanece sin variaciones.

Las células crecen en volumen y se sintetizan enzimas, proteínas, RNA;

Por último tiene lugar un incremento de la actividad metabólica.

FASE EXPONENCIAL = FASE DE CRECIMIENTO LOGARÍTMICOLas bacterias se dividen por Fisión binaria

Crecen en número de forma exponencial

Las bacterias se dividen a ritmo constante

La velocidad de crecimiento se llama = tiempo de generación




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FASE ESTACIONARIA

El crecimiento exponencial se detiene

El crecimiento de la población está limitado por:

- la falta de nutrientes

- La acumulación de metabolitos inhibitorios

- La falta de espacio

En esta fase se pueden sintetizar algunos metabolitos de interés: antimicrobianos, pigmentos,

saborizantes y/o aromas.




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- La distribución y funcionamiento de las poblaciones microbianas están fuertemente

influidas por factores ambientales.

- La limitación de nutrientes y la tolerancia ambiental regulan o excluyen la existencia de

microorganismos en diferentes ambientes

- Los microorganismos poseen limites inferiores y superiores de tolerancia, así como

óptimos para los diferentes factores abióticos

Las actividades de los microorganismos se ven afectadas por las

condiciones físicas y químicas del medio



2.3. FACTORES QUE AFECTAN AL CRECIMIENTO (FERMENTACIÓN)

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LEY DEL MÍNIMO DE LIEBIG

La producción de biomasa total de cualquier organismo está

determinado por el nutriente cuya concentración sea mínima, en

relación con lo que requiere el organismoNutriente

EnergíaBiosíntesis

microorganismo

Un incremento en la concentración de determinado nutriente limitante permite el crecimiento o reproducción de la población afectada hasta que queda limitada por la escasez de otro factor




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pH y Crecimiento microbiano

En general los microorganismos no pueden tolerar valores extremos de pH, en condiciones

alcalinas o ácidas se hidrolizan algunos componentes microbianos o se desnaturalizan algunas

enzimas.

• Cada organismo tiene un rango de pH dentro del cual es posible el crecimiento y

posee un pH óptimo.

• La mayoría crece en un margen de variación de 2 a 3 unidades de pH.

• El pH del medio afecta directamente a los microorganismos y a las enzimas, afectando

a la disociación y la solubilidad de muchas moléculas que ejercen algún efecto sobre

los microorganismos.




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Actividad de Agua y Presión Osmótica

1. Para los microorganismos el factor crítico es la disponibilidad de agua líquida más que la

cantidad total de agua presente en el ambiente

2. El total de agua realmente disponible para uso microbiano se expresa como actividad de

agua (aw)

3. Los solutos presentes en el medio compiten por el agua y la “fijan”, disminuyendo la

cantidad disponible para los microorganismos

4. El agua difunde desde una región con alta concentración de agua (baja concentración de

solutos) hasta una región de menor concentración de agua (alta concentración de solutos):

OSMOSIS




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Oxígeno y crecimiento bacteriano




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RUTAS BIOSINTÉTICAS: Microbiología Industrial (fermentativa/respiratoria)

La microbiología industrial es la microbiología que estudia la aplicación de la biotecnología de los microorganismos en la industria. Esto implica la utilización de sistemas biológicos en diferentes procesos industriales. En general puede abarcar diferentes ámbitos:

1. Fabricación de diferentes compuestos orgánicos.

2. Transformación de productos

3. Reacciones con compuestos inorgánicos, como puede ser el caso de la lixiviación de metales.

4. Producción de biomasa,

5. Degradación de sustancias, como puede ser la depuración de aguas, el tratamiento de

residuos,...

6. Biosensores, determinación de la presencia de sustancias, mediante sistemas biológicos.

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Producción de metabolitos primarios y productos relacionadosProducto de la fermentación

ProductoMicroorganismo implicado en

el proceso

EtanolVinos

SacharomycesCervezasEtanol Industrial

Ácido Láctico

Leches fermentadas

Bacterias lácticasQuesos

EmbutidosVegetales fermentados

Ácido Acético Vinagre AcetobacterÁcido cítrico Aspergillus

Ácido propiónico Quesos Emmental PropionibacteriumAlimentos orientales

fermentadosSalsa de soja, miso, kimchi,

sutu, tempehFloriduras y bacterias lácticas

AminoácidosL-Glutámico

CorynebacteriumL- Lisina


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Producción de Biomasa microbiana

Producto de la fermentación ProductoMicroorganismo implicado

en el proceso

Microorganismos Unicelulares

Levadura de panificación SaccharomycesProteína unicelular bacteriana Methylophilus

Proteína unicelular de levaduras

Candida

MicroalgasChlorella

ScendesmusSpirulina

Esporas bacterianas Bioinsecticidas Bacillus

Biomasa fúngicaProteína unicelular fúngica Paecilomyces

Cultivo de setas Morchella


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LAS BACTERIAS LÁCTICAS Y SU PAPEL EN LOS

PROCESOS FERMENTATIVOS INDUSTRIALES

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1. BACTERIAS LÁCTICAS ¿Quiénes son?

LAS BACTERIAS LÁCTICAS Y SU PAPEL EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS INDUSTRIALES

2. BACTERIAS LÁCTICAS: Rutas Metabólicas

3. BACTERIAS LÁCTICAS: Metabolitos producidos

4. BACTERIAS LÁCTICAS. Funciones en la Industria cárnicos

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1. BACTERIAS LÁCTICAS ¿Quiénes son?


• Es un grupo muy heterogéneo de bacterias Gram + no esporuladas que tienen en común la capacidad

de producir acido láctico por fermentación de azúcares.

• Son microoganismos que una limitada capacidad biosintética, por lo tanto requieren factores de

crecimiento complejos como vitaminas del grupo B, purinas, pirimidinas y aminoácidos.

• Producen energía únicamente por fermentación.

• Crecen en presencia o ausencia de O2.

- Comúnmente no son móviles

- Forman colonias pequeñas nunca pigmentadas.

- Poseen gran tolerancia a la acidez.

- Viven en ambientes asociados a plantas, tracto intestinal (principalmente), fosas nasofaringeas y vagina.

- Dentro del grupo existen patógenos.

• Y además….

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Ruta HOMOFERMENTATIVA

Ruta HETEROFERMENTATIVA

Ruta HETEROFERMENTATIVA FACULTATIVA

• SÓLO SE PRODUCE ÁCIDO LÁCTICO

• SE PRODUCE ÁCIDO LÁCTICO + CO2 + ETANOL + ÁCIDO ACÉTICO

• ALTERNAN UNA U OTRA EN FUNCIÓN DE LOS AZÚCARES DISPONIBLES

2. BACTERIAS LÁCTICAS: Rutas Metabólicas

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Ácido láctico: GRAS. Acidulante, saborizante e inhibidor microorganismos

Sustancias antimicrobianas: inhibición de organismos alterantes y patógenos.

- Péróxido de hidrógeno

- Bacteriocinas

Producción de polímeros:

- algunos se secretan al medio exterior formando capas mucosas (EPS)

- otros son cápsulares


PRODUCTOS LÁCTEOS FERMENTADOS:

- Mejoran la sinéresis- Aumentan la viscosidad: bioespesantes naturales- Favorecen las propiedades probióticasConcentraciones producidas: 50 – 1350 mg/L

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Ácido propiónico: bacterias heterofermentativas utilizadas en quesería.

Acetoína y diacetilo: resultantes de la fermentación del ácido cítrico

(mantequillas y quesos)

- efecto antimicrobiano:

- El acetaldehido puede inhibir la división celular de Escherichia coli

- El diacetilo inhibe levaduras, bacterias gram-negativas y gram-positivas


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CONTRIBUCIÓN DE LAS BACTERIAS LÁCTICAS EN AROMAS Y SABORES:

Ácido Láctico: confiere el sabor ácido

Acetaldehido: aroma característico del yogur

Diacetilo: sabor a mantequilla

Degradacion de péptidos y formación de aromas característicos

PRODUCCIÓN DE ENDULZANTES BAJOS EN CALORÍAS.

- Conversión de lactosa de la leche en alcoholes- polioles como MANITOL Y SORBITOL

(en lugar del piruvato, otros compuestos actúan como intermediarios en la glucólisis y se obtiene

manitol y/o sorbitol por reducción de la fructosa-1 fosfato)

Lactobacillus casei

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SISTEMAS PROTEOLÍTICOS DE LAS BACTERIAS LÁCTICAS

1. Sistemas proteolíticos para que se desarrolle el sabor, olor y color de los quesos/cárnicos

madurados/curados:

a) Los aminoácidos son precursores de muchos compuestos volátiles

b) Ciertos aminoácidos y péptidos producen por si mismos un “marcado aroma”.

2. Son necesarios para la multiplicación bacteriana

a) Las bacterias lácticas son auxótrofas para muchos aminoácidos

b) Los aminoácidos libres presentes en el sustrato de fermentación (leche) no son suficientes

para favorecer el crecimiento hasta recuentos elevados.

3. Enzimas localizadas en el exterior de la membrana citoplasmática


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5. BACTERIAS LÁCTICAS: USOS EN INDUSTRIA

1. Formación de sabor ácido

2. Inhibición de organismos patógenos

3. Gelificación por ruptura de las proteínas

4. Reducción del contenido de azúcares (glucosa, lactosa..)

5. Formación de aroma (acetaldehido y diacetilo)

6. Producción de gas (dióxido de carbono) en quesos y pan

7. Actividad lipolítica y proteolítica: formación de compuestos de sabor y aroma típicos

(cárnicos):

a) Ácidos grasos libres

b) Transformaciones enzimáticas de algunos aminoácidos: amoniaco, ácidos

orgánicos (acético, propiónico, isobutírico) y dióxido de carbono.

8. Probióticos

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5. BACTERIAS LÁCTICAS: USOS EN INDUSTRIA (CÁRNICOS)

USOS: FINES TECNOLÓGICOS (más que biológicos)

- Cambios deseables en los embutidos (maduración (21 – 30 días)a) Descenso pH de la carne (producción de ácidos)b) Desecación y concentración de la salc) Producción de sustancias antimicrobianas

- Especies más empleadas: Género Lactobacillus y Pediococcusa) Lactobacillus sakeib) Lactobacillus curvatusc) Lactobacillus pentosusd) Lactobacillus plantarume) Otros: L. brevis, L. buchneri, L. paracasei

a) P. cerevisiaeb) P. pentosaceusc) P. acidilacti

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USOS: FINES TECNOLÓGICOS (más que biológicos)

1- Organismos viables (vivos)

2- Soporte: azúcar fermentable

3 - Contener microorganismos viables en el momento de consumo (106-107 UFC/g)

4- Producir una fermentación láctica HOMOFERMENTATIVA rápida con desaminación de

la arginina.

5- Los Pediococcos (vs. Lactobacillos) poseen:

- una menor tasa de acidificación (más lenta)

- menor descenso del pH

- aromatización menos intensa

6- Intervienen en la glucólisis y liberan ácidos y aldehidos y cetonas.

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Tres niveles de acción de las bacterias lácticas en los productos cárnicos:


1. Actividad antimicrobiana (descenso pH, ácidos, bacteriocinas)- Pseudomonas, Enterobacteriaceae- en menor medida, estreptococcos fecale sy estafilococos

2. Acción sobre el pH (glucólisis – bajada pH).- Se acelera la acidificación del producto

3. Acción sobre el Aroma- se originan productos volátiles aromáticos procedentes de la degradación de azúcares

(mas que de proteínas y lípidos)- monoácidos orgánicos (alcanoicos/alquenoicos)- poliacidos orgánicos: ácido-alcohol. Ácido-cetona, aminoácidos

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1. Cultivos protectores

2. Cultivos iniciadores


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1. CULTIVOS PROTECTORES

Son microorganismos cuya principal función es la supresión de cultivos indeseables y que,

modifican escasamente las propiedades sensoriales del producto.

- embutidos secos madurados con hongos que se acidifican levemente y no son

sometidos a ahumado.

- El pH es elevado en la superficie debido a la degradación del ácido y a la proteólisis por

los hongos = desarrollo de microorganismos patógenos


Cultivo protector

Lactococcus lactis

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Los cultivos iniciadores consisten en una especie única o combinaciones de

bacterias lácticas y/o micrococcus

CAPACIDAD DE ACIDIFICACIÓN

TOLERANCIA A LA SAL

PRODUCCIÓN DE COLOR

ACTIVIDAD PROTEOLÍTICA

ACTIVIDAD LIPOLÍTICA

2. CULTIVOS INICIADORES

Cepas acidificantes

Pediococcus cerevisiae

Lactobacillus plantarum

Cepas sabor olor

Micrococcus varians

Staphylococcus carnosus

Los cultivos iniciadores para productos cárnicos pueden ser bacterias, hongos o levaduras de acuerdo a

las caracteristicas y necesidades del producto final deseado.

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Carretera NA – 134 Km 53. 31570 San Adrián Navarra T. +34 948 670 159 – F. +34 948 696 127

www.CNTA .es

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