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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS PREDICCIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE Escherichia coli EN LECHE CRUDA AL ELEVAR LA TEMPERATURA HASTA LA PASTEURIZACIÓN APLICANDO MICROBIOLOGÍA PREDICTIVA TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERA DE ALIMENTOS GABRIELA ALEXANDRA CÉSPEDES MOLINA DIRECTORA: BIOQ. MARÍA JOSÉ ANDRADE CUVI QUITO, Julio, 2012

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS

PREDICCIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE Escherichia coli

EN LECHE CRUDA AL ELEVAR LA TEMPERATURA HASTA

LA PASTEURIZACIÓN APLICANDO MICROBIOLOGÍA

PREDICTIVA

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERA DE

ALIMENTOS

GABRIELA ALEXANDRA CÉSPEDES MOLINA

DIRECTORA: BIOQ. MARÍA JOSÉ ANDRADE CUVI

QUITO, Julio, 2012

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© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2012

Reservados todos los derechos de reproducción

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DECLARACIÓN

Yo GABRIELA ALEXANDRA CÉSPEDES MOLINA, declaro que el trabajo

aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para

ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias

bibliográficas que se incluyen en este documento.

La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos

correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de

Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional

vigente.

______________________

Gabriela Céspedes Molina

C.C. 172087907-9

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CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “PREDICCIÓN DEL

COMPORTAMIENTO DE Escherichia coli EN LECHE CRUDA AL

ELEVAR LA TEMPERATURA HASTA LA PASTEURIZACIÓN

APLICANDO MICROBIOLOGÍA PREDICTIVA”, que, para aspirar al título

de Ingeniera de Alimentos fue desarrollado por Gabriela Céspedes,

bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la

Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de

Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.

_______________________

Bioq. María José Andrade

DIRECTORA DEL TRABAJO

C.C. 1712338373

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DEDICATORIA

A mis padres y hermanos

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AGRADECIMIENTO

Quiero expresar mi agradecimiento primero a Dios, por darme vida, fuerza

para alcanzar mis metas y una familia amorosa que supo guiarme en todo

momento.

A la Universidad Tecnológica Equinoccial, autoridades y docentes, quienes a

lo largo de la carrera supieron guiarnos e incentivarnos para salir adelante y

culminar con éxito esta etapa de nuestra vida. También agradezco a la

universidad por permitirme hacer uso de los laboratorios para llevar a cabo el

trabajo de investigación.

A mis padres, por su apoyo incondicional en cada etapa de mi vida, por su

entrega y sacrificio para darnos lo mejor a mí y mis hermanos. Gracias por

ser parte de mi vida y quererme tanto.

A mis hermanos, Cris y Diego, por estar siempre a mi lado, por cuidarme y

preocuparse tanto. Les quiero mucho.

A María José Andrade, mi directora, mil gracias por orientarme durante la

realización de este trabajo, por ser amiga, por compartir su sabiduría y por

brindarme su apoyo todo este tiempo.

A los tesistas del laboratorio, con los que compartimos tantos sueños,

alegrías, frustraciones; gracias por su amistad, por ser una compañía

constate y por la ayuda brindada.

A mis amigos y amigas que de una u otra forma siempre estuvieron

conmigo, gracias porque siempre pude contar con ustedes. Y un

agradecimiento muy especial a Tannya, Eli y Sofi, quienes me ayudaron

permanentemente en el desarrollo de este trabajo.

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ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN…………………………………………………………………………viii

ABSTRACT…………………………………………………………………………x

1. INTRODUCCIÓN .................................................................................... 1

1.1 Objetivos........................................................................................... 5

2. MARCO TEÓRICO ................................................................................. 6

2.1. LECHE ............................................................................................. 6

2.1.2. COMPOSICIÓN QUÍMICA ......................................................... 7

2.1.3. CALIDAD HIGIÉNICA ................................................................ 8

2.1.4. PRODUCCIÓN Y CONSUMO .................................................... 9

2.1.5. BENEFICIOS ........................................................................... 11

2.1.6. MICROBIOLOGÍA DE LA LECHE ............................................ 12

2.1.7. MÉTODOS DE CONSERVACIÓN DE LA LECHE ................... 14

2.2. Escherichia coli ............................................................................... 16

2.2.1. VIRULENCIA ........................................................................... 18

2.2.2. EPIDEMIOLOGÍA ..................................................................... 20

2.2.3. CINÉTICA DE CRECIMIENTO ................................................. 20

2.2.4. FACTORES QUE AFECTAN AL CRECIMIENTO Y

SUPERVIVENCIA DE MICROORGANISMOS ......................... 24

2.3. MICROBIOLOGIA PREDICTIVA .................................................... 29

2.3.1. TIPO Y USO DE LOS MODELOS PREDICTIVOS ................... 30

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PÁGINA

2.3.1.1. Modelos probabilísticos…………………………………………30

2.3.1.2. Modelos cinéticos de crecimiento……………………………...30

2.3.1.3. Modelos de supervivencia/inactivación…………….…………33

2.3.2. VALIDACIÓN ........................................................................... 36

3. METODOLOGÍA .................................................................................. 38

3.1. MATERIALES ................................................................................. 38

3.1.1. LECHE CRUDA ....................................................................... 38

3.1.2. CEPA DE Escherichia coli ........................................................ 38

3.2. ACTIVACIÓN DE CULTIVO PURO DE Escherichia coli ................. 38

3.3. PREPARACIÓN DEL ESTÁNDAR MC FARLAND .......................... 40

3.4. CINÉTICA DE CRECIMIENTO Y DETERMINACIÓN DEL

TIEMPO GENERACIONAL DE Escherichia coli EN TSB ................ 41

3.5. ANÁLISIS FÌSICO QUIÍMICOS DE LA LECHE ............................... 42

3.5.1. DETERMINACIÓN DEL pH DE LA LECHE .............................. 42

3.5.2. DETERMINACIÓN DE HUMEDAD DE LA LECHE .................. 42

3.5.3. DETERMINACIÓN DE NaCl EN LECHE .................................. 43

3.6. DETERMINACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE Escherichia

coli EN LECHE CRUDA DURANTE EL AUMENTO DE

TEMPERATURA ............................................................................. 44

3.7. USO DEL SOFTWARE DE PREDICCIÓN ...................................... 45

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................. 49

4.1. CINÉTICA DE CRECIMIENTO DE Escherichia coli Y

DETERMINACION DEL TIEMPO GENERACIONAL ...................... 49

4.1.1. CURVA DE CRECIMIENTO ..................................................... 49

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PÁGINA

4.1.2. TIEMPO GENERACIONAL ...................................................... 52

4.2. ANÁLISIS FÍSICO QUÍMICOS DE LA LECHE ................................ 54

4.3. COMPORTAMIENTO DE E. coli EN LECHE Y EN TSB ................. 55

4.4. INACTIVACIÓN DE E. coli .............................................................. 60

4.5. APLICACIÓN DE LA MICROBIOLOGÍA PREDICTIVA……………..64

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................ 68

5.1. CONCLUSIONES ........................................................................... 68

5.2. RECOMENDACIONES ................................................................... 70

BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………...71

ANEXOS…………………………………………………………………………...78

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ÍNDICE DE TABLAS

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Tabla 1. Clasificación de la leche cruda de acuerdo al TRAM o al

contenido de microorganismos……………………………………9

Tabla 2.. Microorganismos más comunes en la leche cruda……………13

Tabla 3. Dosis Infecciosa de Patógenos de Origen Alimentario……….19

Tabla 4. Temperaturas en °C para el crecimiento de bacterias………..27

Tabla 5. Escala Mc Farland...………………………………………………40

Tabla 6. Análisis físico químicos de la leche cruda...……………………54

Tabla 7. Cálculo de velocidad de muerte de E. coli durante el

calentamiento de leche y TSB…………………………………...55

Tabla 8. Interpolación de los valores dentro de un rango de

temperatura de 10 – 42ºC.……………………………………….57

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ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Porcentajes de la Contribución Regional a la Producción de

Leche en el Ecuador ………..……………………………………10

Figura 2.. Curva típica de Crecimiento de una Población Bacteriana…..23

Figura 3. Representación de los modelos de inactivación microbiana

más comúnmente utilizados……………………………………..35

Figura 4. Cultivo de E. coli en TSB luego de 24 horas de incubación a

37ºC……………………………………………………….………..39

Figura 5. Cultivo de E. coli en agar nutritivo luego de 24 horas de

incubación a 37ºC…………………………………………………39

Figura 6. Procedimiento para determinar la curva de crecimiento:

diluciones sucesivas a partir de la solución stock de E. coli….41

Figura 7. Elementos del ComBase Predictor……………………………...46

Figura 8. Elementos del DMFit………………………………………..........48

Figura 9. Curva de crecimiento determinada a través de Microbiología

Clásica y Microbiología (ComBase)……………………………..49

Figura 10. Modelado del recuento de E. coli durante el calentamiento de

leche inoculada con E. coli (106 y 104 UFC/ml) y la control…..59

Figura 11. Inactivación de poblaciones 106 y 104 UFC/ml de E. coli en

leche y TSB…...……………………………………………………61

Figura 12. Inactivación de E. coli durante el calentamiento de leche

inoculada con E. coli (106 y 10

4 UFC/ml) y la control………….63

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PÁGINA

Figura 13. Crecimiento de E. coli en leche a diferentes temperaturas

utilizando microbiología predictiva………………………………65

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ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

Anexo I. Datos de la Curva de Crecimiento (Microbiología Predictiva

y Clásica)…………………………………………………………...78

Anexo II Datos de Inactivación de E. coli durante el calentamiento de

leche inoculada con E. coli (106 y 104 UFC/ml) y control……..79

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viii

RESUMEN

Uno de los principales problemas que enfrenta la industria lechera es la

contaminación microbiana, ya sea procedente del interior de la ubre o del

medio externo, que alteran y modifican la composición de la leche

haciéndola impropia para el consumo o imposibilitando su aprovechamiento

industrial. Las bacterias coliformes de los géneros Escherichia,

Pseudomonas, Citrobacter, Klebsiella y Proteus son microorganismos

frecuentes en la leche cruda y representan un riesgo para la Salud Pública.

Los análisis microbiológicos en laboratorios son necesarios pero demandan

tiempo y recursos que las industrias no disponen al tratarse de un alimento

altamente perecible, por ello, en los últimos años se ha propuesto un nuevo

método, llamado microbiología predictiva que facilita los análisis y optimiza

recursos al predecir el comportamiento de microorganismos en diferentes

condiciones ambientales. El objetivo del presente trabajo de investigación

fue predecir el comportamiento de Escherichia coli en leche cruda al elevar

la temperatura hasta las condiciones estandarizadas de pasteurización

aplicando Microbiología Predictiva. Se determinó el tiempo generacional de

la bacteria Escherichia coli en condiciones óptimas de crecimiento, y por otro

lado, con el fin de simular el efecto de la pasteurización como método de

control del crecimiento de la bacteria, se utilizaron diferentes poblaciones de

E. coli (106, 104 UFC/ml según el estándar Mc Farland) sobre dos medios de

cultivo: TSB (caldo triptona de soya) y leche cruda, con el fin de estudiar el

comportamiento del microorganismo durante el calentamiento en

condiciones estándares de crecimiento bacteriano y evaluar el efecto de la

matriz (leche), respectivamente. A partir de este ensayo se obtuvieron los

datos de reducción de la población bacteriana que fueron usados

posteriormente en la modelización. Para cada medio de cultivo se realizaron

recuentos a intervalos de temperatura de 10ºC, desde 15ºC a 65ºC; en un

segundo ensayo se realizaron recuentos a 50, 53, 56, 58 y 60ºC. A partir de

los recuentos de crecimiento e inactivación microbiana obtenidos

experimentalmente se calcularon las curvas predictivas mediante el paquete

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informático ComBase. Se determinaron los parámetros físico químicos de la

leche (pH y % cloruros) requeridos por el programa informático para generar

la curva de inactivación térmica. En condiciones óptimas de crecimiento se

obtuvo un tiempo generacional de 22.56 minutos. No se encontraron

diferencias entre el crecimiento de la bacteria en leche y TSB sometido a

calentamiento; en ambos casos se encontró que la bacteria no presentó

crecimiento a temperaturas superiores a 58ºC. Según el modelado obtenido

del software de predicción, las curvas de inactivación bacteriana no fueron

de primer orden, sino que presentaron un “hombro” durante el período de

tratamiento térmico. La comparación de los datos experimentales y los

obtenidos en el paquete informático permitieron validar la aplicación de éste

último y los principios de la microbiología predictiva.

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ABSTRACT

One of the main problems facing the dairy industry is microbial

contamination, either from inside the udder or the external environment,

which alter and modify the milk composition making it unfit for consumption

or preclude its industrial use. Coliform bacteria of the genus Escherichia,

Pseudomonas, Citrobacter, Klebsiella and Proteus are common

microorganisms in raw milk and pose a risk to public health. Microbiological

analysis in laboratories are necessary but require time and resources that

industries do not have in order to be a highly perishable food, therefore, in

recent years has proposed a new method, called predictive microbiology

which facilitates the analysis and optimizes resources to predict the behavior

of microorganisms in different environmental conditions. The objective of this

research work was to predict the behavior of Escherichia coli in raw milk by

raising the temperature to standard pasteurization conditions applying

Predictive Microbiology. I determined the generational time of Escherichia

coli bacteria under optimal growth conditions. On the other hand, in order to

simulate the effect of pasteurization as a method of controlling the growth of

the bacteria, using different populations of E. coli (106, 104 CFU/ml according

to the Mc Farland standard) on two culture media: TSB (tryptic soy broth) and

raw milk in order to study the behavior of the microorganism during heating in

standard conditions of bacterial growth and evaluate the effect of the matrix

(milk), respectively, from this test data I obtained the reduction data of

bacterial population, that then were used in modeling. For each culture media

counts were performed at intervals of 10 ºC from 15 ºC to 65 °C, in a second

trial, counts were performed to 50, 53, 56, 58 and 60 °C. Based on counts of

growth and microbial inactivation obtained experimentally I calculated the

predictive curves using the software package ComBase. Were determined

physicochemical parameters of milk (pH and %chlorides) required by the

computer program to generate the thermal inactivation curve. Under optimal

growth conditions was obtained a generational time of 22.56 minutes. No

differences were found between the growth of bacteria in milk and TSB

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subjected to heating, in both cases it was found that the bacteria do not grow

at temperatures above 58 ºC. According to the model obtained from the

prediction software, the bacterial inactivation curves were not first-order, but

had a "shoulder" during the heat treatment period. The comparison of

experimental data and those obtained in the software package, allowed me

to validate the application of the latter and the principles of predictive

microbiology.

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1. INTRODUCCIÓN

Las enfermedades transmitidas por alimentos (ETAs) constituyen un

importante problema de Salud Pública, según la Organización Mundial de la

Salud (2011) en América Latina y el Caribe 21 países informaron 10.400

brotes de enfermedades transmitidas por los alimentos y agua que causaron

aproximadamente 400.000 enfermedades y 500 muertes entre 1993 y 2002.

A nivel nacional no existe un control regular de las enfermedades

transmitidas por alimentos y el Sistema de Información Nacional no cumple

con el propósito de informes reales de las ETAs y la información existente

tampoco es confiable debido a que no se identifica el agente etiológico. Es

por eso que cada vez aumenta la importancia y el interés por la inocuidad de

los alimentos. Los enfoques modernos para la prevención de riesgos

microbianos incluyen la implementación de programas como el de Análisis

de Peligros y Puntos Críticos de Control (HACCP), el uso de la Evaluación

Cuantitativa de los Riesgos Microbianos y la Microbiología Predictiva.

Los alimentos involucrados con mayor frecuencia en brotes de enfermedad

son los de origen animal como la carne, mariscos, huevos, leche cruda,

entre otros; el riesgo depende del contenido nutritivo, la cantidad de agua

disponible, la temperatura (Association, 2008).

En el Ecuador y a nivel mundial, el consumo de leche es alto por ser uno de

los alimentos más completos, contiene todos los elementos necesarios para

el desarrollo del ser humano. Además, es una importante materia prima

industrial para la alimentación humana; la leche y sus derivados son

alimentos esenciales en todas las etapas de la vida, especialmente en la

lactancia, en el crecimiento (infancia y adolescencia) y en una edad

avanzada (Dapcich, 2004). Sin embargo, la leche tiene algunas desventajas:

es, por un lado, fácilmente alterable, por lo que en muchas ocasiones se

encuentra adulterada, y es, por otro lado, vehículo frecuente de gérmenes,

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algunos pueden ser patógenos y su consumo a veces causa enfermedades

endémicas, siendo importante someterla a procesos térmicos como la

pasteurización, que consiste en calentar el alimento por un tiempo

determinado a temperaturas por debajo del punto de ebullición para no

alterar sus características físicas y químicas, con la finalidad de reducir la

carga microbiana.

La leche a su paso por la ubre, por contacto con el pezón, la piel del animal y

el equipo de ordeño, así como durante el almacenamiento y transporte, va

adquiriendo una microbiota entre la que se incluyen microorganismos

beneficiosos, saprófitos y patógenos para el hombre. Los puntos críticos de

control más significativos son recepción de la leche cruda, pasteurización y

distribución (Hernández, 2011). Durante la recepción se debe controlar la

presencia de microorganismos patógenos a través de la aplicación de

buenas prácticas de higiene en la finca. Posteriormente se debe controlar la

temperatura de refrigeración a la cual es mantenida la leche hasta llegar a la

planta procesadora, es necesario controlar que el tiempo y temperatura de

pasteurización sean adecuados para impedir la supervivencia de

microorganismos patógenos. Y en la distribución es necesario controlar y

mantener la cadena de frío para impedir el crecimiento de microorganismos

(Hernández, 2011).

Los microorganismos cuando son sometidos a temperaturas superiores a su

óptima de crecimiento mueren rápidamente, la sensibilidad al calor depende

del tipo de microorganismo. La pasteurización reduce el número de bacterias

pero no las elimina por completo, ya que algunas bacterias son más

termorresistentes (Bacillus y Pseudomonas) y forman esporas que

sobreviven a la pasteurización (Palencia, s.f.). Investigaciones controladas

diseñadas para determinar la efectividad de la pasteurización sobre

microorganismos específicos han demostrado que destruye patógenos

comunes como Mycobacterium ssp. Paratuberculosis, Salmonella spp.,

Mycoplasma spp., E. coli y Staphylococcus aureus (Stabel, 2004).

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La muerte de microorganismos como consecuencia de un tratamiento a altas

temperaturas sigue una cinética exponencial. La recta tiene una pendiente

que permite calcular la velocidad de muerte en función del tiempo, ésta varía

para cada temperatura, microorganismos, entorno y condiciones fisiológicas

(Anónimo, s.f.).

Las principales bacterias que contaminan la leche son: Micrococcus,

Staphylococcus, Clostridium, enterobacterias, bacterias lácticas y

Pseudomonas. La E. coli, bacteria que normalmente vive en el intestino de

hombres y animales es un indicador de contaminación fecal reciente y

aunque la mayoría de las variedades de esta bacteria son inocuas, se sabe

que varias como la E. coli 0157:H7, produce grandes cantidades de una

toxina que pueden causar diarrea y daño renal en algunas personas,

especialmente en los niños menores de cinco años, la infección puede

ocasionar una complicación denominada síndrome urémico hemolítico

(SUH), una enfermedad grave, con destrucción de los glóbulos rojos e

insuficiencia renal (Michanie, 2003).

La E. coli O157:H7 tiene una baja dosis infectiva, resistencia a temperaturas

de refrigeración y tolerancia al ácido, por lo tanto, es un patógeno de

importancia en la industria láctea (Arqués, 2003).

Por otro lado, la microbiología predictiva (PM) es un área multidisciplinaria

emergente de la microbiología que permite predecir las respuestas de los

microorganismos ante diferentes cambios en las variables ambientales que

pueden ser reproducidas de forma controlada en laboratorio, de esta

forma, a través de diversos modelos matemáticos es posible predecir

cuál será el comportamiento de estos microorganismos cuando cambian

las condiciones ambientales que les rodean (Cabeza, 2011).

La microbiología predictiva se ha estado desarrollando en estos últimos años

a nivel mundial, sin embargo en el Ecuador aún no se han publicado

estudios o investigaciones que contengan esta metodología que permite el

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4

aseguramiento de la inocuidad alimentaria, optimiza procesos y recursos; y

podría mejorar los sistemas de gestión de la calidad en la industria

alimentaria (Cabeza, 2011).

Dentro de la microbiología de los alimentos, la microbiología predictiva se ha

convertido en una valiosa herramienta en el control de calidad alimentaria.

Actualmente estos modelos se están empleando en los sistemas HACCP, en

el desarrollo de nuevos productos, diseño de procesos, evaluación

cuantitativa de riesgos microbianos y otras áreas que demuestran la

importancia de ésta (Espinosa, 2009).

La posible contaminación de la leche casi siempre ocurre durante el ordeño

debido a la contaminación de las ubres y por ausencia de higiene del

personal. Esto sugiere que la leche no pasteurizada es un producto con el

potencial de vehiculizar numerosos microorganismos patógenos, entre ellos

Escherichia coli. Ante esto, resulta interesante estudiar el comportamiento

del microorganismo en este tipo de producto, para determinar su capacidad

de adaptación y supervivencia en relación con distintas variables que

pudieran estar involucradas, tales como pH, temperatura y flora microbiana

presente. La detección en el laboratorio de los microorganismos patógenos

puede ser complicada, lenta, costosa y no facilita un enfoque preventivo. Por

esta razón, se aplica la microbiología predictiva, un método moderno para

optimizar análisis microbiológicos.

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1.1 Objetivos

Objetivo General

Predecir el comportamiento de Escherichia coli en leche cruda al

elevar la temperatura hasta la pasteurización aplicando Microbiología

Predictiva.

Objetivos Específicos

Determinar el tiempo generacional de E. coli en condiciones óptimas

de crecimiento.

Determinar el comportamiento de E. coli en la leche durante el

tratamiento térmico.

Estimar la cinética de muerte de E. coli en la leche durante el

tratamiento térmico mediante Microbiología Predictiva.

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2. MARCO TEÓRICO

2.1. LECHE

La leche de vaca cruda es un líquido de color blanco amarillento de gran

importancia en la alimentación humana. Al hablar de leche se entiende única

y exclusivamente la natural de vaca. En caso contrario, debe especificarse la

procedencia: de cabra o de oveja, entre otras (Gónzalez, s.f.).

La leche cruda no se destina de forma directa al consumo humano, se la

somete a diferentes tratamientos térmicos a través de los cuales se obtienen

las leches de consumo; además debe cumplir con ciertos requisitos como

son: organolépticos, microbiológicos, físicos y químicos establecidos en

normas específicas para cada país. En el Ecuador los requisitos para leche

se encuentran en la norma técnica NTE INEN 10:2003 para leche.

La leche y sus derivados pertenecen a un grupo de alimentos con un alto

valor nutricional pero también altamente perecedero y susceptible de

contaminación que no se puede controlar fácilmente, ya que al tener un

balance casi perfecto de sus macronutrientes se convierte en un cultivo ideal

para bacterias. Sin embargo, la leche es muy beneficiosa por el alto

contenido de calcio, que junto a la vitamina D y la lactosa favorecen una

absorción más completa. La grasa de la leche tiene importantes

proporciones de ácidos grasos que facilitan su digestibilidad y las proteínas

lácteas son de alto valor biológico, debido a que presentan todos los

aminoácidos esenciales para cubrir las necesidades de una persona (Zavala,

2005).

La composición de la leche varía de acuerdo a la raza, la época del año, la

etapa de lactancia, la alimentación, la salud del animal, entre otras.

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2.1.2. COMPOSICIÓN QUÍMICA

La leche es un líquido de composición y estructura compleja, blanca opaca,

de sabor suave, olor característico y con un pH cercano a la neutralidad. La

materia grasa se encuentra en emulsión, las proteínas constituyen una

suspensión, mientras que los restantes componentes (lactosa, otras

sustancias nitrogenadas, minerales, entre otros) están disueltos (Taberna,

s.f.).

La composición química media de la leche de acuerdo a Caravaca et al.

(2003) es:

AGUA: Alrededor de 90%. Se puede encontrar como agua libre y

como agua ligada. La cantidad de agua en la leche es regulada por la

lactosa que se sintetiza en las células secretoras de la glándula

mamaria. El agua que va en la leche es transportada a la glándula

mamaria por la corriente circulatoria.

GLÚCIDOS: Entre 4.5 – 5.0%. El principal es la lactosa, la

concentración es similar en todas las razas lecheras y no puede

alterarse fácilmente con prácticas de alimentación.

LÍPIDOS: Normalmente, constituye desde el 3 hasta el 6% de la

leche, variando entre razas de vacas y con las prácticas de

alimentación. Se encuentran en forma de glóbulos de grasa,

principalmente triglicéridos (98%), lecitina (30%) y una porción

insaponificable (1%).

PROTEÍNAS: Varía entre 3 – 6%, donde se distinguen las caseínas

(70%) y las proteínas del suero (30%).

SALES: Se encuentran en solución (NaCl) y en estado coloidal (Ca y

P). También hay presencia de fosfatos, sulfatos e ioduros, su

porcentaje varía entre 0.8 y 1.3.

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2.1.3. CALIDAD HIGIÉNICA

La leche de buena calidad es aquella que cumple con todas las

características higiénicas, microbiológicas y composicionales, por ende

concuerda con la definición legal y las expectativas nutricionales (Pinzón,

2006). La calidad de la leche se puede dividir en química y microbiológica; la

primera hace referencia a que no debe contener sustancias como:

antibióticos, antisépticos, hormonas, pesticidas o cualquier otra sustancia

química nociva para el hombre; tampoco se permite la adición de agua,

aunque no representa riesgo alguno para el consumidor, sí representa un

fraude. La segunda parte de la calidad de la leche se refiere al contenido o

carga microbiana, ésta debe estar dentro de los límites establecidos en las

normas técnicas (Caravaca, 2003).

La contaminación se debe a la falta de higiene, poca limpieza de las vacas,

del medio ambiente, de los sistemas de ordeño, conducciones de leche,

ollas o sistemas de refrigeración.

Para mejorar la calidad microbiológica de la leche es necesario cumplir

parámetros en todas las etapas de procesamiento, desde el ordeño hasta

que llegue al consumidor. La leche cruda después del ordeño debe ser

enfriada lo más pronto posible, almacenada y transportada hasta los centros

de acopio y/o plantas procesadoras en recipientes apropiados autorizados

por la autoridad sanitaria competente. En los centros de acopio la leche

cruda debe ser filtrada y enfriada con agitación constante hasta una

temperatura no superior a 10ºC (INEN 2003), caso contrario si la leche

permanece caliente los microorganismos trabajan muy intensivamente y

consumen la lactosa produciendo ácido láctico, degradando grasa y

proteínas, que impiden alcanzar características de sabor, aroma, textura y

apariencia deseada.

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La calidad microbiana de la leche cruda se determina a partir del recuento de

células somáticas para determinar la aceptación o no por la industria y el

precio que se paga por ella, también se realizan recuentos de bacterias en

placa UFC/cm3 de microorganismos aerobios mesófilos; de acuerdo a los

resultados obtenidos se puede clasificar la leche como se muestra en la

tabla 1. Antes se utilizaba la prueba del azul de metileno pero no resultaba

del todo precisa para determinar la calidad de leche (Novoa, s.f.).

Tabla 1. Clasificación de la leche cruda de acuerdo al contenido de

microorganismos

(INEN 2003)

2.1.4. PRODUCCIÓN Y CONSUMO

En el Ecuador, los datos del Censo Agropecuario del año 2000 indican que

la producción lechera se ha concentrado en la región de la Sierra (figura 1),

donde se encuentran los mayores productores de leche con un 73% de la

producción nacional, siguiendo con un 19% la Costa, y un 8% la Amazonía y

las Islas Galápagos (MAGAP, 2000).

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Figura 1. Porcentajes de la Contribución Regional a la Producción de Leche

en el Ecuador (MAGAP, 2000)

De acuerdo al estudio “La calidad de la leche: un desafío en el Ecuador” de

Contero (2008) la disponibilidad de leche cruda en el país es

aproximadamente de 3,5 a 4,5 millones de litros por día, de los cuales un

75% se destina para consumo humano e industrial. El 90% de las principales

industrias procesadoras de lácteos se encuentran ubicadas en la sierra y se

dedican, principalmente, a la producción de leche pasteurizada, quesos y

crema de leche, ocupando un plano secundario los otros derivados lácteos.

En el país son seis empresas las productoras más grandes de lácteos,

destacándose a nivel regional por su producción diaria de leche, en la sierra:

Nestlé - DPA con una producción de 300.000 litros; Andina con 110.000

litros; Nutrileche con 140.000 a 160.000 litros y Pasteurizadora Quito con

160.000 a 180.000 litros, y en la costa: Rey leche y Tony con 160.000 a

180.000 litros (Contero, 2008).

El gobierno de Ecuador, a través del actual gobierno, decidió unirse a la

iniciativa mundial para incentivar el consumo de productos lácteos, ya que la

FAO recomienda un consumo de 120 litros/habitante/año y en Ecuador

apenas llega a 95.30 litros.

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Muchos nutriólogos recomiendan medio litro diario. Sin embargo los infantes,

igual que las personas mayores deberían consumir 3/4 de litro al día y los

adolescentes cuyo crecimiento de los huesos se acelera alrededor de los 11

años, al igual que las mujeres embarazadas o en periodo de lactancia, un

litro por lo menos, esto permite cubrir sus necesidades diarias de calcio,

principal nutrimento de la leche (López, 2005).

2.1.5. BENEFICIOS

Considerando las características nutricionales de la leche y los productos

lácteos, éstos se convierten en una opción dietética óptima y su consumo es

recomendable para todas las personas de cualquier edad.

En los primeros meses de vida, la leche materna constituye el único alimento

completo, saludable, suficiente e higiénico que se debe dar al bebé para que

reciba las defensas necesarias para la protección de su salud, ya que

contiene todos los nutrimentos necesarios para su crecimiento y desarrollo

durante los primeros meses de vida.

Respecto al calcio, uno de los principales nutrientes de la leche, mineral que

no sólo forma parte del hueso, sino también que es un elemento

indispensable en los diversos procesos bioquímicos que suceden en el

organismo constituye una fuente de otro nutriente básico para la prevención

de la osteoporosis, la vitamina D. Y se ha demostrado que el calcio

proveniente de la leche presenta una mayor biodisponibilidad al estar

asociado una proteína (Sedó, 2008).

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2.1.6. MICROBIOLOGÍA DE LA LECHE

La leche como se mencionó anteriormente, es un alimento completo y medio

de cultivo ideal para muchos microorganismos por su alto contenido de

humedad, su abundante suministro de nutrientes, su grado de acidez neutral

(pH de 6,7) y su temperatura (Pinzón, 2006). La importancia del estudio

microbiológico de la leche se basa en tres tipos de microorganismos:

Los que causan la descomposición de la leche.

Los que originan enfermedades en las personas, llamados

patógenos.

Los beneficiosos, aquellos que causan la fermentación natural de la

lactosa en ácido láctico.

Debido a la importancia epidemiológica de los microorganismos patógenos,

se describirán las principales fuentes de contaminación de la leche:

- Infección inicial: La contaminación de la ubre puede ocurrir por dos

vías. Una es a través del canal del pezón, generalmente la

contaminación es baja y por microorganismos inocuos

(Corynebacterium y Micrococcus) a menos que se trate de un animal

con mastitis donde hay proliferación de Staphylococcus y

Streptococcus. Otra vía de contaminación es la circulación sanguínea,

medio de transporte de microorganismos patógenos como

Mycobacterium tuberculosis y Brucella abortus (Alais, 1985).

- Ambiente: La leche se contamina por microorganismos procedentes

de residuos de excremento, paja, heno y alimentos que viajan a través

del aire. Los excrementos son fuente principal de enterobacterias (E.

coli). También se contamina por miles de microorganismos presentes

en las paredes de utensilios y maquinarias que no has sido lavados,

desinfectados o secados correctamente (Alais, 1985).

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- El estado del animal: El animal debe encontrarse limpio, sano y sin

lesiones. Con la cola inmovilizada, se deben lavar las ubres con una

solución antiséptica antes de la ordeña, de esta manera se reduce la

carga bacteriana (Jones, 1998).

- El estado del ordeñador: Es un factor importante la higiene de los

operarios, ya que muchas enfermedades son transferidas por esta ruta,

son fuente de contaminación de diversos microorganismos entre ellos

patógenos de origen humano. El Staphylococcus aureus puede ser

transferido de la piel o de las fosas nasales de los manipuladores, que

con el tiempo suficiente y condiciones de temperatura puede producir

enterotoxina en el alimento (Association, 2008).

2.1.6.1. Microorganismos en la leche cruda

En la tabla 2 se presenta un resumen de las principales características y los

efectos causados por la presencia de diferentes grupos de microorganismos

en la leche.

Tabla 2. Microorganismos más comunes en la leche cruda

MICROORGANISMO DESCRIPCIÓN EFECTOS

BACTERIAS GRAM (+) (Bacterias lácticas) Lactococcus,

Leuconostoc, Pediococcus,

Streptococcus, Lactobacillus,

Carnobacterium,

Enterococcus, Vagococcus,

Aerococcus,

Tetragonococcus, Alloiococcus y Bifidobacterium.

Habitan en lugares ricos en carbohidratos, proteínas, vitaminas y poco oxígeno. Tienen forma bacilar, cocoide u ovoide. Soportan pH de 4 en leche. Son anaerobias facultativas, mesófilas y termófilas de crecimiento exigente. Pueden ser homofermentativas o heterofermentativas.

Contribuyen en la elaboración de productos lácteos: yogurt, queso. Aportan sabor y aroma por la producción de acetaldehído, diacetilo, acetoina, acetona, lactonas, ácidos volátiles, alcohol y gas.

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Tabla 2. Microorganismos más comunes en la leche cruda (continuación)

Micrococcus

La mayoría son aerobias, no patógenas Fermentadores débiles. Flora inocua pero abundante con poca actividad enzimática.

Por su capacidad proteolítica puede llegar a alterar la leche pasteurizada mal almacenada.

Staphylococcus

Son aerobios facultativos. Fermentadores fuertes. El Staphylococcus aureus es termoresistente, soporta la pasteurización. Algunas no son patógenas (S. epidermis)

El S. aureus causa mastitis en animales. Intoxicaciones en humanos, osteomielitis.

Clostridium

Anaerobio estricto, producen gas. Su crecimiento es inhibido por bacterias lácticas. Se destruyen a temperaturas mayores a 100°C El Clostridium botulinum produce toxinas patógenas en leche cruda.

Causa botulismo, gangrena gaseosa y tétanos.

Bacterias Gram (-) (Enterobacterias) Escherichia coli,

Enterobacter aerógenes,

Klebsiella, Citrobacter,

Salmonella,

Shigella, Proteus, Serratia

Su presencia en agua y leche se debe a una contaminación fecal, ya que se encuentran en el intestino de animales y humanos. Poder patológico. Producen gas y sustancias viscosas de sabor desagradable.

Causan trastornos gastrointestinales. Alteran la leche o subproductos.

Pseudomonas Son psicrófilas. Varias especies tienen un gran poder proteolítico y lipolítico.

Alteran productos elaborados con leches pasteurizadas, ya que algunas enzimas resisten temperaturas por encima de los 80 ºC

Acromobacteriaceae No fermentan la lactosa, No son proteolíticas ni patógenas, Son bacterias psicrófilas

Algunas pueden producir sustancias viscosas y pigmentos.

(Sabena, 2009)

2.1.7. MÉTODOS DE CONSERVACIÓN DE LA LECHE

Existen varios métodos para conservar la leche pero sin duda los más

populares y utilizados en la industria lechera son los tratamientos térmicos

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como la pasteurización, esterilización o UHT, son técnicas eficaces que

destruyen bacterias patógenas e inactivan enzimas que deterioran el

alimento y reducen su vida útil, procurando alterar lo menos posible la

composición y estructura del producto (Pinzón, 2006).

La pasteurización es el proceso térmico más conocido al que se somete la

leche, el nombre es en honor a su descubridor, Louis Pasteur, quien a

mediados del Siglo XIX comprobó que calentar ciertos alimentos y bebidas

por encima de los 60º C evitaba su alteración (Enciclopedia, 2004).

“Las condiciones mínimas de pasteurización son aquellas que producen

efectos bactericidas equivalentes a las producidas por las combinaciones de

tiempo-temperatura siguientes: 72ºC durante 15 segundos (pasteurización

de flujo continuo) o 62 – 65ºC durante 30 minutos (pasteurización en lotes)

(INEN 2003).

Este proceso destruye microorganismos patógenos de la leche pero no sus

esporas, por eso este tipo de leche no se considera de larga duración y debe

mantenerse siempre en refrigeración, conviene consumirla en el plazo de

2−3 días (ReyBanpac, 2008).

La esterilización de la leche combina altas temperaturas con un tiempo

también alto (115−130ºC durante 15 −30 minutos). El objetivo es la

destrucción total de microorganismos y esporas, para obtener un producto

estable y con un largo período de conservación. El inconveniente es que

este proceso provoca la pérdida de vitaminas B1, B2, B3, así como de

algunos aminoácidos esenciales y las industrias tienen que compensar esta

pérdida añadiendo nutrientes (Palencia, s.f.). La leche esterilizada se

conserva de 5-6 meses en empaque cerrado, a temperatura ambiente y de

4-6 días una vez abierto, en refrigeración.

La uperización o UHT, es la leche tratada a temperaturas de 150ºC durante

un tiempo que no supera los 3−4 segundos. Estas condiciones permiten

conservar las cualidades nutritivas y organolépticas del producto pero no se

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destruyen las formas de resistencia de los microorganismos (Palencia, s.f.).

La leche UHT se conserva durante tres meses aproximadamente a

temperatura ambiente en empaque cerrado y una vez abierto debe

conservarse en refrigeración un máximo de 4-6 días (ReyBanpac, 2008).

Mediante estos procesos ha disminuido la incidencia de enfermedades

transmitidas por animales enfermos al hombre, se detiene la proliferación de

microorganismos que por contaminación originan patologías

gastrointestinales y se logra disminuir la velocidad de deterioro natural de la

leche (Zavala, 2005).

2.2. Escherichia coli

La Escherichia coli o E. coli, fue descrita por primera vez en 1885 por

Theodore von Escherich, bacteriólogo alemán, quien la denominó Bacterium

coli dado que se aislaba de las heces de individuos sanos y enfermos

(Eslava, s.f.). Posteriormente la taxonomía le adjudicó el nombre de

Escherichia coli, en honor a su descubridor.

Es un bacilo que reacciona negativamente a la tinción Gram, es anaerobio

facultativo, móvil por flagelos perítricos, no forma esporas, es capaz de

fermentar la glucosa y la lactosa.

La mayoría de las cepas son inocuas y habitan en los intestinos de los seres

humanos y animales saludables, como la Escherichia coli genérica o biotipo

1 no patógena, sin embargo existen otras como la Escherichia coli O157:H7

que produce una potente toxina y puede ocasionar enfermedades graves

como el síndrome urémico hemolítico (Michanie, 2003).

Se distinguen seis cepas según su capacidad patógena en el hombre y en

los animales:

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E. coli enteropatógenos (ECEP): Causa diarrea aguda o persistente

en humanos y animales. Causa lesiones intestinales de tipo adherencia

y no producen toxinas tipo Shiga, pero si provocan una reordenación de

la actina en la célula hospedante, que induce una deformación

significativa. Carece de fimbrias y no produce las toxinas lábil (ST) y

estable (LT) (Varela, 2007).

E. coli enteroinvasivos (ECEI): Es una de las E. coli que causa más

daño debido a la invasión que produce en el epitelio intestinal causando

diarrea sanguinolenta y disentería en niños y adultos (Pascual 2000). Es

inmóvil, no fermenta la lactosa. Libera el calcio en grandes cantidades

impidiendo la solidificación ósea, produciendo artritis y en algunos casos

arterioesclerosis.

E. coli productoras de toxinas parecidas a las de Shigella (ECST):

Estas bacterias producen una toxina citotóxica para células Vero de

cultivo de similaridad estructural a la toxina producida por Shigella

dysenteriae. Las ECST producen verotoxinas que actúan en el colon.

Sus síntomas son: primero colitis hemorrágica, luego síndrome urémico

hemolítico (lo anterior más infección del riñón, posible entrada en coma y

muerte), y por último, púrpura trombocitopénica trombótica (lo anterior

más infección del sistema nervioso central). Esta cepa no fermenta el

sorbitol y posee un fago, donde se encuentran codificadas las

verotoxinas, también llamadas "Toxinas Shiga", no posee una fimbria

formadora de mechones, en vez de esto posee una fimbria polar larga

que usa para adherencia (Blanco, s.f.).

E. coli enterotóxicos (ECET): Se adhiere a la mucosa del intestino

delgado, no la invade, y elabora toxinas ST y LT que producen diarrea

acuosa ligera, cólicos, náuseas (Anónimo, s.f.). No hay cambios

histológicos en las células de la mucosa y muy poca inflamación.

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E. coli de adherencia difusa (ECDA): Se adhiere a la totalidad de la

superficie de las células epiteliales y habitualmente causa enfermedad

en niños inmunológicamente no desarrollados o malnutridos. No se ha

demostrado que pueda causar diarrea en niños mayores de un año de

edad, ni en adultos y ancianos.

E. coli enteroadherentes /enteroagregativas (ECEA): Sólo encontrada

en humanos. Son llamadas enteroagregativas porque tienen fimbrias con

las que aglutinan células en los cultivos de tejidos (Fernández, 2003). Se

unen a la mucosa intestinal causando diarrea acuosa sin fiebre. No son

invasivas. Producen hemolisina y una enterotoxina ST similar a la de las

enterotoxigénicas.

La Escherichia coli es un buen indicador de contaminación fecal y su

presencia en alimentos indica contaminación reciente, ya que esta bacteria

vive poco tiempo en un ambiente extraentérico. Se destruye a temperaturas

de pasteurización y congelación, por su poca resistencia no es un buen

indicador de flora patógena (Pascual, 2000).

2.2.1. VIRULENCIA

Para que un alimento cause una enfermedad debe contener en él un

patógeno o su toxina; además el patógeno tiene que crecer hasta un nivel

suficiente para causar una infección o producir toxina y finalmente se tiene

que ingerir una cantidad suficiente del alimento. Sin embargo, algunos

organismos causantes de enfermedades, como la E. coli O157:H7, tiene una

dosis infecciosa muy baja y la simple presencia representa un peligro

(Association, 2008).

La Escherichia coli está dividida por sus propiedades virulentas, pudiendo

causar diarrea en humanos y otros animales. Otras cepas causan diarreas

hemorrágicas por virtud de su agresividad, patogenicidad y toxicidad. En

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muchos países ya hubo casos de muerte con esta bacteria, generalmente de

niños entre 1 y 8 años. Causado casi siempre por la contaminación de

alimentos y su posterior mala cocción, es decir, a temperaturas internas y

externas menores de 70 °C.

El número de microorganismos necesario para causar enfermedad varía con

la cepa específica del microorganismo y con la susceptibilidad del huésped,

por lo tanto, la enfermedad que la Escherichia coli causa puede ser leve o

severa. Los niños menores de 5 años y los ancianos son los grupos más

vulnerables; la dosis requerida para enfermar varía entre 106 a 1010 células

(tabla 3); y se presenta entre los 8 primeros días del ingreso de la bacteria.

Se produce diarrea acuosa o usualmente con sangre, dolores abdominales

severos, náuseas, vómitos y a veces fiebre. La colitis hemorrágica puede

derivar en una falla aguda del riñón o en Síndrome Urémico Hemolítico

(SUH) en el 5 % de los infectados. Del 3 a 5 % de los que padecen SUH

sufren la muerte y los que consiguen recuperarse padecen fallas renales,

complicaciones neurológicas y otras secuelas por mucho tiempo (Michanie,

2003).

Tabla 3. Dosis Infecciosa de Patógenos de Origen Alimentario

ORGANISMO DOSIS INFECCIOSA

APROXIMADA (células)

Bacillus cereus 105-10

11

Campylobacter jejuni 500

Clostridium perfringens 106-10

10

Cryptosporidium 30

Escherichia coli (tipos patógenos) 106-10

10

E. coli O157:H7 101-10

3

Salmonella typhi 103-10

9

(Association, 2008)

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2.2.2. EPIDEMIOLOGÍA

La bacteria E. coli se transmite por:

Consumo de alimentos insuficientemente cocidos o crudos o

temperatura inadecuada de almacenamiento.

Ingestión de agua contaminada.

Contacto persona a persona (mala higiene personal).

Contacto con materia fecal de animales.

Han habido brotes de la enfermedad por el consumo de carne picada

insuficientemente cocida, hamburguesas, roast beef, agua de pozos, agua

de piletas de natación, jugo de manzana no pasteurizado (pH 3,5), yogur,

vegetales crudos (brotes de alfalfa), salame, lechuga, quesos, leche cruda y

otros (Michanie, 2003).

La incidencia real es desconocida pero se conoce que la E. coli

enterotoxigénica (ETEC) es la causa más común de diarrea en el viajero. La

E. coli enteropatogénica (EPEC) y la E. coli enteroinvasiva (ECEI) infectan

principalmente a los niños menores de 2 años en los países en vías de

desarrollo. La ECEP se ha reportado como causa importante de diarrea en el

recién nacido (Fernández, 2003).

2.2.3. CINÉTICA DE CRECIMIENTO

La cinética describe las velocidades a la cual las bacterias se desarrollan en

diferentes condiciones. Entre las bacterias existe una amplia variación en los

requerimientos nutricionales y las condiciones físicas que ellas pueden

soportar.

Existen bacterias heterotróficas que obtienen su energía y carbono desde un

compuesto orgánico o material orgánico; y las bacterias autotróficas usan

CO2 como su fuente de carbono y obtienen su energía desde la luz solar o a

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través de la oxidación de compuestos inorgánicos. Además el crecimiento de

las bacterias también se ve afectado por factores como temperatura,

ambiente gaseoso y el pH. De acuerdo al rango de temperatura en el cual se

desarrollan se diferencian las psicotróficas, aquellas que se desarrollan entre

-5 y 30°C; mesófilas, aquellas que se desarrollan en el rango 10 a 47°C y

termófilas que pueden soportar hasta 105°C.

La velocidad de crecimiento es el cambio en el número de células o en la

masa celular experimentando por unidad de tiempo, en este período todos

los componentes estructurales de la célula se duplican. El intervalo para la

formación de dos células a partir de una se conoce como tiempo de

generación (LEOQ, s.f.).

El tiempo de generación varía entre las bacterias, pueden ser minutos, horas

o inclusive días. El tiempo de generación de un microorganismo determinado

también está en función del medio de cultivo utilizado y de las condiciones

de incubación empleadas. Las bacterias en condiciones ideales su

crecimiento puede llegar a un tiempo de generación menor de 20 minutos

(Leyva, s.f.).

El aumento en número de células que se produce en un cultivo bacteriano

creciendo exponencialmente es una progresión geométrica de base 2, donde

existe una relación directa entre el número de células presentes inicialmente

en el cultivo (No) y el número presente tras un periodo de crecimiento

exponencial (N). Sabiendo el número inicial y final de células en una

población que está creciendo exponencialmente, es posible calcular n que

determina el número de generaciones durante el periodo de crecimiento

exponencial (ecuación 2.3.) (LEOQ s.f.).

[2.1.]

[2.2.]

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[2.3.]

Donde:

N: número final de células

No: número inicial de células

n: número de generaciones que han ocurrido durante el periodo

de crecimiento exponencial.

El tiempo de generación (g), de la población celular se calcula como t/n

(ecuación 2.4.), donde t indica las horas o minutos de crecimiento

exponencial y n el número de generaciones; conociendo n y t, se calcula el

tiempo de generación g.

[2.4.]

La curva de crecimiento bacteriano se puede dividir en cuatro fases, en la

figura 2, se distinguen las diferentes fases: fase de latencia, fase del

crecimiento exponencial, fase estacionaria y fase de declinación.

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Figura 2. Curva típica de Crecimiento de una Población Bacteriana

A continuación se describen las principales características de cada fase:

Fase de latencia: Hay un aumento de los componentes macromoleculares,

de la actividad metabólica y de la susceptibilidad a los agentes químicos y

físicos. Las células se ajustan a su nuevo ambiente y no hay un crecimiento

visible. La longitud de la fase depende del estado fisiológico y genético del

microorganismo al ser introducido en el medio de crecimiento. La fase de

latencia puede producirse en procesos de crecimiento y de inactivación

(Swinnen, 2004).

Según Geeraerd (2000), en caso de inactivación, la respuesta retardada

(fase de latencia) es observada como un “hombro” en la curva de

inactivación logarítmica.

Fase de crecimiento exponencial: Las células se dividen regularmente

según el tiempo de generación de cada especie. Por ejemplo, E. coli en un

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determinado medio de cultivo puede dividirse cada 20 min durante esta fase

(Apella, s.f.).

Fase estacionaria: El número de células que son producidas es igual al

número de células que mueren, se establece un equilibrio dinámico en el

cual no existe un mayor crecimiento. En esta fase hay productos de

desecho, agotamiento de nutrientes, la variación del pH y otros factores que

ejercen un efecto nocivo sobre el cultivo, lo que produce una disminución de

la velocidad de crecimiento.

Fase de muerte celular: Se alcanza cuando la tasa de destrucción supera

la tasa de crecimiento. Las células mueren a una velocidad mayor a la que

se originan debido al agotamiento total de nutrientes y/o excesiva

acumulación de sustancias tóxicas. La velocidad de muerte y la duración de

esta fase varían en las distintas especies bacterianas. A veces la muerte va

acompañada de lisis celular y esto disminuye la absorbancia del cultivo

(LEOQ, s.f.).

2.2.4. FACTORES QUE AFECTAN AL CRECIMIENTO Y

SUPERVIVENCIA DE MICROORGANISMOS

Prácticamente todos los alimentos tienen microorganismos y el tipo y la

cantidad depende de varios factores como: propiedades del alimento,

manipulación y condiciones de almacenamiento del mismo. Estos factores

modifican la velocidad de crecimiento, provocando cambios que, a

determinados valores pueden llegar a ocasionar la muerte de los

microorganismos.

Entre los factores más importantes que influyen en el desarrollo de

microorganismos en los alimentos, están: nutrientes, pH, actividad de agua,

potencial redox (presencia de oxígeno o no en el ambiente) y temperatura.

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2.2.4.1. Nutrientes

Muchos microorganismos utilizan a los alimentos como fuente de nutrientes

y energía para su desarrollo y en dependencia de los nutrientes que tenga

un alimento en particular, éste se considerará de mayor o menor riesgo. Si

un microorganismo no es capaz de utilizar cualquier componente mayoritario

en el alimento limitará su capacidad de crecer en él, por ejemplo, el caso de

la clara de huevo, en donde la escasez de nutrientes es utilizada como

defensa contra una infección microbiana.

En la leche, medio enriquecido para crecimiento microbiano, crecerán

mayoritariamente bacterias con capacidad de neutralizar enzimas

proteolíticas, debido a que tiene pocos aminoácidos libres y pépticos de bajo

peso molecular (Sabena, 2009).

2.2.4.2. pH

El pH del medio puede regular el transporte de protones, la degradación de

los aminoácidos, la adaptación a condiciones acídicas o básicas y aún la

virulencia.

En general, las bacterias crecen con mayor rapidez a pH comprendido entre

6,0 - 8,0; las levaduras entre 4,5 - 6,0 y los hongos filamentosos entre 3,5 -

4,0 (Leyva, s.f.). Si a un alimento se le cambia el pH los microorganismos

crecerán más lentamente.

Se conoce que un pH bajo limita el crecimiento microbiano, en los alimentos

con pH menores a 4.0, no se produce crecimiento de microorganismos

patógenos o indicadores de contaminación fecal tales como, Salmonella

spp., Escherichia coli, Staphylococcus coagulasa positiva, Clostridium

botulinum, Clostridium perfringens, Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus,

Bacillus cereus (Leyva, s.f.). El pH de la leche se encuentra entre 6,5 y 6,7

(ligeramente ácido), esto favorece el crecimiento de una flora microbiana

diversa, pero las más favorecidas son las ácido lácticas.

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2.2.4.3. Potencial redox

El potencial redox indica las relaciones de oxígeno y es utilizado para

especificar el ambiente en que un microorganismo es capaz de generar

energía y sintetizar nuevas células. De esta forma tenemos microorganismos

aerobios (presencia de oxígeno) y anaerobios (ausencia de oxígeno), pero la

mayoría de los microorganismos importantes para la salud pública en los

alimentos, son facultativos, es decir crecer en presencia y ausencia de

oxígeno.

Una forma de reducir el crecimiento microbiano es controlando la atmósfera

de los alimentos, creando condiciones de anaerobiosis.

Por lo general, en ciertos alimentos el desarrollo inicial de los

microorganismos es aeróbico y posteriormente al reducirse el potencial

redox comienza el desarrollo de los anaeróbicos. En la leche las bacterias

ácido lácticas se consiguen en abundancia y por ser varias de ellas

anaerobias facultativas, pueden desarrollarse en ambos ambientes (Pinzón,

2006).

2.2.4.4. Actividad de agua (aw)

Es el agua que se encuentra en los alimentos, disponible para el crecimiento

microbiano y para procesos químicos y enzimáticos. En los alimentos no

toda el agua se encuentra en estado libre, una parte se puede encontrar

ligada a las proteínas o formando parte de otros compuestos. La mayoría de

microorganismos, especialmente las bacterias se desarrollan a aw cercanas

a 1 (0.993-0.998) a valores inferiores, la velocidad de crecimiento o la masa

celular final disminuye y la fase de latencia aumenta, conservándose mejor

los alimentos. La aw de la leche está estimada en 0.99, ideal para bacterias

pero dificultando el crecimiento de mohos y levaduras (Pinzón, 2006).

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2.2.4.5. Temperatura

Es uno de los parámetros más importantes que condicionan el crecimiento y

supervivencia de microorganismos; según sus características poseen

temperaturas óptimas, mínimas y máximas de crecimiento. Por encima de la

temperatura mínima la tasa de crecimiento va aumentando

proporcionalmente hasta alcanzar la temperatura óptima, debido a que las

reacciones metabólicas catalizadas por enzimas se van aproximando a su

óptimo. En dicha temperatura óptima las enzimas y reacciones se dan a su

máxima tasa posible (Caimanque, s.f). De acuerdo a la temperatura que

soportan los microorganismos se los clasifica en:

o Psicrófilos, crecen entre -5 a 30°C

o Mesófilos, presentan temperaturas entre mínimas (10-15°C),

óptimas (25-40°C) y máximas (35-47°C)

o Termófilos, presentan mínimos de 25°C, óptimos de 50-75°C y

máximos de 80-105°C.

Los valores de las temperaturas cardinales (mínima, óptima, máxima) varían

ampliamente entre las bacterias (tabla 4).

Tabla 4. Temperaturas (°C) para el crecimiento de bacterias

ESPECIE MÍNIMA ÓPTIMA MÁXIMA

Listeria monocytogenes 1 30-37 45

Pseudomonas maltophila 4 35 41

Escherichia coli 10 37 45

Clostridium kluyveri 19 35 37

Bacillus flavothermus 30 60 72

Thermus aquaticus 40 70-72 79

Pyrobacterium brockii 80 102-105 115

(Carrillo, 2003)

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La temperatura de la leche después del ordeño favorece la rápida

multiplicación microbiana. La mayor proporción de la flora bacteriana

presente, son microorganismos mesófilos, por eso la refrigeración inmediata

a temperaturas de 4 a 5 ºC es fundamental para asegurar la calidad de la

leche. Pero su almacenamiento no debe ser prolongado (máximo 24 horas)

ya que favorecería el aumento de la flora psicrotrofa. Cuando la leche no

vaya a ser procesada el mismo día de recepción debe ser sometida a un

proceso de termización (Pinzón, 2006).

Para la determinación de microorganismos en alimentos se aplican técnicas

tradicionales que consisten en tomar una muestra del alimento e inocularla

en medios de cultivo, luego se incuban según las condiciones de tiempo y

temperatura requeridas por cada tipo de microorganismo, posteriormente se

realiza el recuento. Este procedimiento deberá realizarse por triplicado con el

fin de tener resultados estadísticamente representativos. Esto requiere el

uso de recursos económicos y es largo el tiempo que debe transcurrir para

obtener resultados.

Actualmente se han desarrollado alternativas como métodos rápidos para la

cuantificación de microorganismos, medios de cultivos listos para su uso, lo

que produce un ahorro de tiempo y recursos, sin embargo no reemplazan los

métodos tradicionales (Valero, 2006).

En los últimos años se ha venido desarrollando una ciencia dedicada a la

predicción del crecimiento microbiano con el uso de paquetes informáticos,

que permiten obtener datos inmediatos sobre el crecimiento de bacterias en

alimentos optimizando recursos que se generan con la microbiología

tradicional.

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2.3. MICROBIOLOGIA PREDICTIVA

La microbiología predictiva (MP) consiste en la predicción a través de

modelos matemáticos y técnicas computacionales, el comportamiento de los

principales patógenos alimentarios sobre un alimento en respuesta a los

diferentes factores (pH, temperatura, actividad de agua, entre otros) que se

dan durante todas las fases de la cadena alimentaria tales como el

procesado, el almacenamiento, la distribución, entre otros. Los modelos

utilizan conocimientos acumulados en seguridad alimentaria en diferentes

alimentos, accesibles a través de bases de datos y predicen el tiempo que

tardarían los patógenos en empezar a proliferar bajo determinadas

condiciones y a qué velocidad crecerían una vez que comienzan. La MP es

una herramienta útil y económica en la investigación, la formulación de

nuevos productos, el diseño de procesos, en la implantación de los sistemas

HACCP, ya que permite la identificación de peligros microbiológicos en

alimentos, establece los puntos críticos de control y establece márgenes de

seguridad para aplicar medidas correctivas (Valero, 2006).

Para evaluar el riesgo microbiológico de un determinado producto se debe

conocer la carga microbiana en el alimento en el momento de su consumo,

esto requiere el conocimiento de la respuesta de los microorganismos frente

a factores ambientales que afectan su evolución en los alimentos y el tiempo

que tardan en alcanzar niveles de riesgo.

Esta rama científica permite simular las condiciones del alimento examinado,

cuantificando el comportamiento de los microorganismos en un producto a lo

largo del tiempo a través de parámetros de crecimiento, supervivencia o

inhibición. Asimismo, permite estudiar los procesos bioquímicos relacionados

con la producción de metabolitos (toxinas, compuestos volátiles, entre otros)

ante situaciones de combinación de factores de conservación y en distintos

niveles de aplicación (INVENTA, s.f.).

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2.3.1. TIPO Y USO DE LOS MODELOS PREDICTIVOS

Los modelos matemáticos constituyen simplificaciones de la realidad. La

temperatura, el pH y la actividad de agua se consideran los parámetros que

más afectan al comportamiento microbiano. Sin embargo, existen casos en

los que hay que tener en cuenta otros factores intrínsecos como aditivos

conservadores (nitritos, ácidos orgánicos débiles y/o sus sales, entre otros.)

pero también extrínsecos y de procesado como atmósferas protectoras y

tecnologías de conservación como las altas presiones para tener un cuadro

completo de la realidad que se quiera reproducir.

Los modelos matemáticos son capaces de predecir la concentración

microbiana presente en el producto final, lo que determinará posteriormente

el nivel de exposición (Whiting, 1994).

La clasificación de los modelos va de acuerdo a su finalidad, tipo de bacteria

y su repercusión en la alteración del alimento o en su seguridad; estos

mismos parámetros se deben considerar antes de elegir el modelo que se

quiere aplicar. Están los modelos probabilísticos y cinéticos.

2.3.1.1. Modelos probabilísticos

Permiten estimar los límites de crecimiento/no crecimiento o producción/no

producción de toxina. Se utilizan más con microorganismos cuya sola

presencia representan un riesgo (Rodríguez, 2003).

2.3.1.2. Modelos cinéticos de crecimiento

Según Rodríguez (2003), los modelos cinéticos de crecimiento permiten

determinar el número de microorganismos en función del tiempo. Después

de ajustar la curva de crecimiento microbiana mediante funciones

matemáticas (modelos primarios) y estudiar sus parámetros según cambios

en las condiciones ambientales (modelos secundarios), es posible modelizar

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el comportamiento microbiano en función de la temperatura, el pH, la

actividad del agua y otros factores, independientemente del alimento.

Whiting y Buchanan (1994) proponen clasificar los modelos predictivos en

tres niveles; primarios, secundarios y terciarios.

Modelos primarios

Los modelos primarios describen cómo varía el número de microorganismos

en función del tiempo a determinadas condiciones.

La representación de la evolución microbiana se suele hacer en logaritmos

decimales (Log UFC /ml) dada la naturaleza exponencial del crecimiento

microbiano. Dentro de este grupo, se encuadran los modelos de crecimiento

bacteriano como la función de Gompertz, y otros modelos mecanicistas

desarrollados por Whiting y Cygnarowicz-Provost (1992), o Baranyi y

Roberts, (1994) (Valero, 2006).

Modelos secundarios

Los modelos secundarios describen la relación entre los parámetros del

modelo primario (tasa de crecimiento específica, tiempo de adaptación,

densidad máxima de la población) y los factores ambientales tanto

intrínsecos (pH, actividad de agua) como extrínsecos (temperatura,

composición gaseosa) (García, 1995). A partir de esto se han desarrollado

varios modelos, unos para obtener un mejor ajuste de la ecuación a los

datos experimentales (empíricos) y otros que incluyen parámetros que

describen el comportamiento microbiano en un medio o alimento concreto

(mecanicistas).

Según explica Whiting (1994), los modelos más comúnmente utilizados son:

Ecuaciones de respuesta en superficie (polinomiales), Arrhenius y raíz

cuadrada (modelo de Bélehrádek).

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Modelos terciarios

Los modelos terciarios se basan en los primarios y secundarios para

elaborar gráficos, predicciones y comparaciones deseadas. Estos modelos

usan expresiones matemáticas y programas informáticos donde se recopila

la información necesaria para la aplicación de los modelos predictivos.

Existe una gran cantidad de paquetes informáticos comerciales disponibles a

través de Internet como por ejemplo el PMP (“Pathogen Modelling

Program”), elaborado por el Departamento de Agricultura de EEUU (USDA)

en el que se incluyen modelos de crecimiento, inactivación, supervivencia y

muerte de distintos microorganismos patógenos y alterantes. El modelo

primario que utiliza es el de Gompertz.

El programae “Growth Predictor”, elaborado por el Institute of Food Research

en Norwich (Reino Unido) es parecido al PMP pero en este caso el modelo

primario que utilizan es el de Baranyi y solo se encuentran predicciones de

modelos de crecimiento.

“Seafood Spoilage Predictor”, propuesto por Dalgaard et al., (2002) para

predecir la vida media de productos de la pesca en base a su alteración

microbiológica a temperatura constante o en condiciones de fluctuación de

temperatura.

También existen bases de datos con información acerca de cómo los

microorganismos responden a diferentes ambientes como “ComBase”

(Combined Database of Microbial Responses to Food Environments). La

información en el ComBase es referida como datos “microbiológicos

cuantitativos”, ya que describe cómo los niveles de los microorganismos,

tanto deterioradores como patógenos, cambian en el transcurso del tiempo

bajo condiciones determinadas en medios de cultivo y alimentos, basado en

datos experimentales de distintos autores. Es una herramienta útil y eficaz

para la comparación y validación de modelos predictivos; además reduce la

redundancia al realizar estudios microbiológicos (RedSyCa, 2011).

Utilizando una interfase de internet, el usuario identifica los criterios que

interesan para un escenario específico, esto incluye el tipo o especie de

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microorganismo, pH, temperatura, actividad de agua (o la concentración de

NaCl) y condiciones específicas de un alimento.

2.3.1.3. Modelos de supervivencia/inactivación

El factor principal de estos modelos es la temperatura y describen la cinética

del descenso de unidades logarítmicas de microorganismos con respecto al

tiempo.

La inactivación se puede dar por tratamientos térmicos y no térmicos. En la

inactivación no térmica generalmente se utilizan procesos de origen químico

(uso de conservantes) o físico (irradiación o técnicas de altas presiones),

pero en la inactivación térmica el calentamiento es el principal método.

Los parámetros cinéticos más representativos para estudiar la inactivación

térmica son los valores D y z, estos se basan en que las curvas de

supervivencia microbiana y de esporas bacterianas siguen una cinética de

primer orden; por lo tanto, el número de microorganismos supervivientes es

una función exponencial del tiempo de tratamiento (Huertas 2008).

Valor D (tiempo de reducción decimal), según explica Huertas (2008), “es

el tiempo que se precisa tratar a una población microbiana a la temperatura

T para reducir su recuento a la décima parte”, y se utiliza la ecuación 2.5.

[2.5.]

Donde:

= número de células al inicio del tratamiento

= número de células sobrevivientes después de un tratamientos de

t minutos a una temperatura T.

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Valor z (ecuación 2.6.), “es el número de ºC que hay que aumentar a la

temperatura de tratamientos para reducir el valor D a la décima parte”

(Huertas, 2008)

[2.6.]

Este modelo es ampliamente aplicado pero no siempre sigue una cinética de

primer orden, en muchos casos de inactivación térmica se ha observado que

las curvas supervivencia obtenidas presentan fenómenos de hombros y/o

colas (Boekel, 2002).

Se han descrito varios modelos de inactivación en los que el descenso de la

población microbiana no es lineal, algunos manejan una teoría mecanística

(homogeneidad de la población) y otros una teoría probabilística

(heterogeneidad entre las células de la misma población aunque ésta sea

pura); la mayoría de ellos están representados en la figura 3.

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Figura 3. Representación de los modelos de inactivación microbiana más

comúnmente utilizados.

(Valero, 2006)

Uno de los más utilizados por su simplicidad y flexibilidad es el modelo de

Weibull, útil para el análisis de datos de supervivencia en microbiología

después de aplicar un estrés. La forma acumulativa de la distribución de

Weibull, la cual fue modificada posteriormente por Mafart et al., 2002 se

indica en la ecuación 2.7.

[2.7.]

Donde:

No: número inicial de microorganismos (UFC/ml)

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N: número de supervivientes luego de un tratamiento de

exposición en un tratamiento (UFC/ml)

t: tiempo del tratamiento (min)

: tiempo de la primera reducción decimal o factor de escala

: factor de forma

La distribución Weibull (Boekel, 2002) puede ser:

>1, significa que las células sobrevivientes al estrés se vuelven cada vez

más sensibles al calor, es decir el daño es acumulativo.

<1, significa que las células sobrevivientes al estrés tienen menos

probabilidades de morir, las células son más fuertes o tuvieron tiempo

para adaptarse al estrés.

=1, significa que la probabilidad de morir no depende del tiempo de

exposición al tratamiento, es decir no hay variación biológica y cada

célula es igualmente susceptible.

2.3.2. VALIDACIÓN

Un aspecto fundamental en la microbiología predictiva para demostrar que

predice con exactitud el comportamiento de microorganismos en los

alimentos durante el procesado, almacenamiento y distribución, es su

validación. Esta idea nace debido a que los modelos desarrollados en el

laboratorio suelen sobreestimar la inactivación o crecimiento microbiano a la

hora de aplicarlos en alimentos reales, en ocasiones los alimentos soportan

mejor el crecimiento de microorganismos que en los medios de laboratorio y

por otro lado, el nivel de contaminación del alimentos es menor que el

inoculo utilizado en el laboratorio (Valero, 2006).

Cuando un modelo matemático se construye y valida correctamente permite

la predicción del efecto del cambio de las condiciones de tratamiento sobre

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la evolución microbiana. La precisión puede ser valorada gráficamente,

enfrentando los valores observados contra las predicciones del modelo

(Santos, 2007).

La proximidad en el valor del error cuadrático medio y los valores de R2 de

las ecuaciones ajustadas a la serie de datos, se han tomado como

indicadores de la fiabilidad de los modelos cuando se aplicaban a alimentos.

Otra medida de la exactitud de las ecuaciones predictivas fue introducida por

McClure et al., 1993 quienes compararon sus modelos basándose en el

sumatorio de los cuadrados de las diferencias del logaritmo natural de los

valores observados y predictivos para el tiempo de generación (g) (Santos,

2007).

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3. METODOLOGÍA

3.1. MATERIALES

3.1.1. LECHE CRUDA

Se utilizó leche cruda que se adquirió en un mercado local de la parroquia de

Guayllabamba (cantón Quito), se trasladó inmediatamente al laboratorio, el

transporte se realizó a baja temperatura en un envase térmico.

3.1.2. CEPA DE Escherichia coli

Se utilizó una cepa certificada Escherichia coli ATCC 11775, adquirida en el

Laboratorio de Microbiología de la Facultad de Ciencias Químicas de la

Universidad Central del Ecuador.

3.2. ACTIVACIÓN DE CULTIVO PURO DE Escherichia coli

Con el objeto de volver viable la bacteria que se encontraba congelada para

evitar el deterioro y que permanezca en su estado de latencia se tomó una

muestra de la cepa de Escherichia coli con una asa esterilizada y se la

introdujo en un tubo con 3 ml de caldo de cultivo (TSB) que se incubó a 37ºC

durante 24 horas (figura 4).

Posteriormente, se inoculó por estriado la bacteria en cajas petri con agar

nutritivo (figura 5) con el fin de obtener una población suficiente para poder

usarla en la investigación, las condiciones de incubación fueron: 37ºC por 24

horas.

El procedimiento se realizó bajo condiciones asépticas.

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Figura 4. Cultivo de E. coli en TSB luego de 24 horas de incubación a 37ºC.

Figura 5. Cultivo de E. coli en agar nutritivo luego de 24 horas de incubación

a 37ºC

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3.3. PREPARACIÓN DEL ESTÁNDAR MC FARLAND

Se preparó una suspensión de la bacteria usando la escala McFarland como

referencia para determinar la concentración a inocular. Esta escala está

compuesta por 10 tubos patrones usando para la investigación el tubo N°2

que corresponde a 6x108 UFC/ml.

Con un hisopo esterilizado se tomó la bacteria aislada de las cajas con agar

nutritivo y se introdujo en un tubo de ensayo que contenía 10 ml de agua

destilada estéril, hasta que la turbidez del tubo se iguale (visualmente) al

tubo Nº 2 de la escala McFarland, este tubo contiene una carga bacteriana

de 108 UFC/ml. A partir de estas concentraciones se realizaron las diluciones

sucesivas necesarias según el ensayo requerido en la investigación.

La escala Mc Farland se basa en la capacidad de precipitación de cloruro de

bario (BaCl2) en presencia del ácido sulfúrico (H2SO4), como se puede

observar en la tabla 5.

Tabla 5. Escala McFarland

(Dominguez s.f.)

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3.4. CINÉTICA DE CRECIMIENTO Y DETERMINACIÓN DEL

TIEMPO GENERACIONAL DE Escherichia coli EN TSB

Para obtener la curva de crecimiento se redujo la carga bacteriana del tubo

patrón preparado con la ayuda de la escala McFarland de 108 a 102

mediante diluciones sucesivas (figura 6), este último tubo de ensayo se

colocó en un matraz con 90 ml de TSB designado como 100 para las

diluciones próximas. El matraz de TSB inoculado con Escherichia coli se

incubó a 37ºC, tomando muestras cada hora, realizando el número de

diluciones sucesivas convenientes considerando el ciclo de vida de la

bacteria durante 24 horas. Las tres últimas diluciones se inocularon por

vertido en cajas Petri con agar nutritivo. Las cajas se incubaron a 37ºC por

24 horas, transcurrido ese tiempo se procedió al recuento de UFC de cada

caja. El procedimiento se realizó por duplicado.

Figura 6. Procedimiento para determinar la curva de crecimiento: diluciones

sucesivas a partir de la solución stock de E. coli

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3.5. ANÁLISIS FÍSICO QUIÍMICOS DE LA LECHE

Para introducir los datos experimentales en el software de microbiología

predictiva fue necesario realizar el análisis de los parámetros físico químicos

de la leche que se describen a continuación:

3.5.1. DETERMINACIÓN DEL pH DE LA LECHE

El pH de la leche se calculó directamente con medidor de pH. Se colocaron

25 ml de leche en un vaso de precipitación, se introdujo el bulbo y se tomó la

medida. El análisis se realizó por triplicado.

3.5.2. DETERMINACIÓN DE HUMEDAD DE LA LECHE

Se utilizó una cápsula de porcelana con arena previamente tarada en la

estufa a 103°C por 4 horas y enfriada en el desecador por 15 minutos en la

que se colocó 10 ml de muestra y se llevó nuevamente a la estufa con las

mismas condiciones de tiempo y temperatura. Transcurrido este tiempo se

pesó la muestra para calcular el porcentaje de humedad por diferencia de

peso. El análisis se realizó por triplicado.

Para calcular el contenido de humedad libre presente en la muestra se utilizó

la ecuación 3.1.:

[3.1.]

Donde:

= Masa inicial de la muestra en gramos.

= Masa final de la muestra en gramos.

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3.5.3. DETERMINACIÓN DE NaCl EN LECHE

Los cloruros de la muestra se valoraron con una solución de AgNO3,

empleando K2CrO4 como indicador.

La plata tiene una gran afinidad por los cloruros, estos se unen formando

cloruro de plata que es incoloro. Cuando todo el cloro está en forma de

cloruro de plata, la plata reacciona con el cromato potásico formando

cromato de plata que es de color mostaza rojizo.

2AgNO3 + K2CrO4 → 2KNO3 + Ag2CrO4

Para determinar el contenido de NaCl se tomaron 10 ml de muestra en un

matraz, se añadieron dos gotas de K2CrO4 y se agitó para homogenizar la

muestra, la cual se tornó de un color amarillo claro.

En una bureta se colocó una solución de AgNO3 0,1N y gota a gota se

agregó al matraz agitando constantemente hasta llegar al viraje de color

ladrillo.

El análisis se realizó por triplicado y en cada titulación se anotó el volumen

de AgNO3 0,1N consumido para los cálculos correspondientes, según la

ecuación 3.2.

[3.2.]

Donde:

= Volumen consumido

= Normalidad

= miliequivalente

= Peso de la muestra

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3.6. DETERMINACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE

Escherichia coli EN LECHE CRUDA DURANTE EL

AUMENTO DE TEMPERATURA

Para determinar el comportamiento de la E.coli en la leche se realizaron 2

tratamientos con diferentes poblaciones de la bacteria inoculadas

artificialmente en el producto y un control (leche sin inoculación artificial de

E. coli).

Para el primer tratamiento se colocaron 180 ml de leche cruda en un frasco

vacío previamente esterilizado en el que se añadieron 20 mL de una

concentración 106 UFC/mL de E. coli (definida según el estándar

MacFarland) y se homogenizó. Con el objeto de conocer la población inicial

de E. coli se realizó un primer recuento una vez inoculado el microorganismo

y se realizaron 3 diluciones sucesivas (10-2, 10-3 y 10-4), cada una de ellas se

inoculó en cajas mediante la técnica de vertido con agar Chromocult (medio

selectivo para coliformes totales y E. coli). Las cajas se incubaron a 37°C por

24 horas.

Posteriormente, el frasco fue sometido a calentamiento utilizando un baño

térmico (Thermostatic Wather Bath, modelo YCW-04M) y se realizaron

recuentos a intervalos de 10°C, iniciando en 25°C hasta llegar a 65°C. La

temperatura se controló con la ayuda de un termómetro de pincho (Multi-

Thermometer, rango -50ºC a 300ºC) introducido en el frasco durante todo el

procedimiento. Las diferentes diluciones sucesivas realizadas a cada

temperatura de muestreo se inocularon por vertido en agar Chromocult y se

incubaron a 37°C por 24 horas.

En el segundo tratamiento se utilizó una población de 104 UFC/mL de E. coli

y se repitió la metodología descrita anteriormente.

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Se realizó un control con el fin de comprobar si la leche se encontraba

contaminada antes de la inoculación artificial.

Los recuentos se realizaron por triplicado y los ensayos se realizaron por

duplicado.

Con el fin de determinar la temperatura más cercana a la real a la que

produce la muerte de la bacteria, se repitió el ensayo a intervalos de

temperatura más cortos, estos fueron: uno inicial (inmediatamente después

de la inoculación en la leche, antes del calentamiento) y los siguientes a 50,

53, 56, 58 y 60°C. El ensayo se realizó por duplicado.

Además, para evaluar el efecto del medio de cultivo, se realizaron ensayos

paralelos, similares a los anteriores cambiando el medio de cultivo, es decir,

se reemplazó la leche cruda por caldo de cultivo (TSB).

El recuento de E. coli se realizó basado en NTE INEN 1529-13-98 “Control

Microbiológico de los Alimentos. Enterobacteriaceae. Recuento en placas

por siembra en profundidad” literal 7.3.

3.7. USO DEL SOFTWARE DE PREDICCIÓN

Para la microbiología predictiva se aplicó un software de predicción llamado

ComBase Predictor, que cuenta con una base de datos de cómo responden

ciertos microorganismos a diferentes condiciones ambientales en función del

tiempo. También cuenta con una aplicación para ajustar los datos

experimentales en función del tiempo y extraer parámetros como la tasa de

crecimiento / muerte y retraso / hombro, llamada DMFit. A continuación, las

figuras 7 y 8 muestran los elementos y parámetros necesarios para la

predicción:

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Figura 7. Elementos de ComBase Predictor

a) Growth model / Thermal inactivaction model / Non termal survival

model: Permite elegir el tipo de modelo.

b) Temperature input: Permite seleccionar la variación o no de

temperatura.

c) Water activity: Permite escoger entre dos parámetros de crecimiento

(NaCl o aw).

d) Observation duration: Tiempo de duración del tratamiento,

expresado en horas.

e) add a row: Permite añadir otra celda de datos, realiza hasta cuatro

predicciones a la vez.

a

b c

d e f

g

h

h i j k l m

n o

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f) Viñeta que permite seleccionar el tipo de microorganismo de un

conjunto de aproximadamente 50 tipos de bacterias de las cuales se

obtienen .curvas microbianas de crecimiento y sobrevivencia.

g) Initial level: Concentración inicial que se inoculó en la muestra.

h) Phys state: Estado fisiológico, depende de las condiciones en las que

se desarrolla en microorganismo.

i) T(ºC): Temperatura en que se realizó el tratamiento.

j) pH del medio de cultivo utilizado.

k) %NaCl del medio de cultivo utilizado.

l) %CO2 en las se aplicó el tratamiento.

m) Max.rate y Dbl. time: Tiempo generacional y Tasa máxima de

crecimiento dados por el programa con respecto a la base de datos

que maneja.

n) Pantalla de datos generados por el programa en función del tiempo

(h) y concentración de microorganismos (Log10 UFC/ml).

o) Zona donde se generan los gráficos en base a la predicción.

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48

Figura 8. Elementos de DMFit

a) Choose a model: Permite seleccionar el tipo de modelo que se

aplicará.

b) Input your data in the texbox: Pantalla para introducir datos

experimentales en función del tiempo (h) y concentración de

microorganismos (Log10 UFC/ml).

c) Pantalla de los datos generados por el programa a partir de los

experimentales (ajuste de datos).

d) Zona donde se generan los gráficos en base a los datos

experimentales y del programa después del ajuste.

e) Estimated parameters and standard errors: Datos generados por el

programa de la tasa de crecimiento / muerte y retraso / hombro.

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49

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS

4.1. CINÉTICA DE CRECIMIENTO DE Escherichia coli Y

DETERMINACIÓN DEL TIEMPO GENERACIONAL

4.1.1. CURVA DE CRECIMIENTO

La curva de crecimiento se realizó a temperatura constante (37 ºC) usando

como medio de cultivo TSB, este medio tiene un pH de 7,3 y de 0,45% de

NaCl. En la figura 9 se muestra la cinética de crecimiento de la bacteria E.

coli en condiciones óptimas, los datos para realizar la curva se obtuvieron

experimentalmente y fueron comparados con los datos obtenidos a través

del programa informático ComBase Predictor (Anexo 1).

Figura 9. Curva de crecimiento determinada a través de microbiología

clásica y microbiología predictiva (ComBase)

00

02

04

06

08

10

12

14

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27

Log

10 (

UFC

/ml)

Tiempo (h)

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En una curva de crecimiento típica se identifican cuatro fases principalmente:

latencia, exponencial, adaptación y muerte. Por lo general, en la fase de

latencia, la división celular no se produce inmediatamente y no hay un

incremento neto de masa, sin embargo es un proceso activo donde la célula

está sintetizando nuevos componentes; en nuestro caso en particular, en la

curva experimental, esta fase apenas se distingue por lo que se asume que

la adaptación de la bacteria al medio fue rápida, ésta puede prolongarse si

se tratase de células viejas con cantidades reducidas de ATP o si el medio

es diferente al anterior donde crecían los microorganismos; mientras más

concentración de nutrientes se presente en el medio, más rápido será el

crecimiento caso contrario no solo el crecimiento será más lento sino que no

se manifestará ni alcanzará un desarrollo de manera plena; por lo tanto, la

duración de la fase de latencia varía considerablemente según el estado de

los microorganismos y la naturaleza del medio (Prescott, 2002). En cuanto a

la predicción, no se observa la fase de latencia porque el modelo predictivo

se concentra mayormente en la tasa de crecimiento. De acuerdo con el

paquete informático ComBase, es más difícil el modelado de la fase de

latencia, debido a que no solo depende de las condiciones actuales sino

también de la historia o estado fisiológico de las células.

En la fase exponencial tanto en la curva experimental (color rojo) como en la

predicción (color azul) se observa un crecimiento rápido, cada célula se

divide en un momento ligeramente diferente del resto, por eso la curva

aumenta suavemente en lugar de hacer saltos discretos. El cultivo se

comporta como una reacción autocatalítica (donde hay un aumento de

componentes y constituyentes por un mismo factor en la unidad de tiempo)

hasta que los nutrientes disponibles se agotan (Vélez, 2003). En esta fase se

puede determinar la velocidad de crecimiento bacteriano y el tiempo

generacional, ya que la velocidad se mantiene constante y los

microorganismos se duplican en número a intervalos regulares. Además los

cultivos en fase exponencial se utilizan en estudios bioquímicos y

fisiológicos, ya que la población es más uniforme, química y equilibrada. Se

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origina un crecimiento desequilibrado cuando la velocidad de síntesis de los

componentes celulares varían entre sí, esto ocurre al modificar las

concentraciones de nutrientes o cambiar las condiciones ambientales

(Prescott, 2002).

Los valores de la curva experimental varían, haciendo que la recta no sea

completamente continua como ocurre en la curva de la predicción, esto se

debe a que la E. coli no es la única bacteria presente en la leche, por lo tanto

su crecimiento se ve afectado por la accesibilidad que tiene a los nutrientes.

En cambio, los modelos de predicción asumen que el alimento es ideal, que

la única bacteria presente es la E. coli y el crecimiento es bajo condiciones

de laboratorio perfectamente controladas. Además, el ComBase menciona

que la variación de la concentración celular se describe por una curva

matemática (crecimiento o la supervivencia) llamado modelo primario.

Modelos secundarios describen cómo los parámetros de los modelos

primarios dependen de factores ambientales como la actividad de la

temperatura, el pH y el agua. Estos se describen por funciones matemáticas,

y, por interpolación, la concentración celular contra el tiempo.

Los microorganismos alcanzan la fase estacionaria por varias razones:

limitación de nutrientes, disponibilidad de O2, acumulación de residuos

tóxicos o cuando alcanza un nivel crítico poblacional. La fase estacionaria de

la curva experimental (color rojo) no está claramente definida y difiere a la

predicción (color azul), sin embargo la microbiología tradicional justifica esta

irregularidad considerando que en esta fase ocurren cambios dramáticos en

la estructura y fisiología no solo de la E. coli sino en la mayoría de bacterias;

disminuye el volumen celular y las bacterias se redondean, disminuye la tasa

global de síntesis de ADN, ARN y proteínas, aumenta la degradación de

proteínas, se reorganiza el metabolismo general y se acumulan compuestos

de reserva (polifosfato y glucógeno) y osmoprotección (trehalosa y glicina

betaina), según Apella, (s.f.) la transición entre la fase de latencia y

estacionaria, implica una etapa de crecimiento desequilibrado (crecimiento

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no balanceado) durante el cual los componentes celulares son sintetizados a

diferentes velocidades por la acumulación de productos tóxicos y hay un

aumento del tiempo generacional (Prescott, 2002).

El tiempo de estudio fue de 24 horas, tiempo en el que aparentemente la

bacteria no alcanza su fase de muerte. La muerte de una población

microbiana al igual que el crecimiento en la fase exponencial es de forma

logarítmica. Este modelo se mantiene aunque se observe que el número de

células permanece constante, ya que las células no se lisan inmediatamente

después de morir (Prescott, 2002).

4.1.2. TIEMPO GENERACIONAL

Se calculó el tiempo generacional según las ecuaciones 2.3. y 2.4., luego de

la incubación del medio (TSB) inoculado con E. coli a 37ºC por 24 horas, se

obtuvo el número de generaciones que han ocurrido durante el periodo de

crecimiento exponencial (n = 31,89), a partir de este dato y el tiempo del

tratamiento se obtuvo como tiempo generacional de la bacteria que fue de

22,56 min; es decir, la bacteria E. coli tarda 22,56 minutos en duplicar su

población, valor que concuerda con la literatura donde se menciona que el

crecimiento microbiano ocurre por fisión binaria, y en el caso de la E. coli

bajo las mejores condiciones puede completar su ciclo en 20 minutos (Leyva

s.f.), según se explica con los siguientes cálculos:

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Se ha encontrado que los factores que afectan el desarrollo de la bacteria y

por lo tanto influyen en el tiempo generacional como: temperatura, toxicidad,

nutrientes, pH, humedad, entre otros; no son independientes sino que se

encuentran interrelacionados por lo que al evaluar el efecto individual de

cada factor no se puede elucidar por separado el efecto de los demás

(Knaysi, 1948).

El tiempo de generación varía en función de las condiciones del medio: se

observa que al aumentar la temperatura o el pH, se produce un aumento

significativo de este indicador (Beldarraín et al. 2009). Determinar el tiempo

generacional es importante para saber el tiempo que tarda la célula en

duplicarse y por ende para determinar cuando un alimento alcanza un

número de microorganismos necesario para causar enfermedad.

Cualquier modificación del medio que prolongue el tiempo de generación

prolongará el tiempo de conservación del alimento, ya que retarda el inicio

de la multiplicación bacteriana. Se ha comprobado que para crecer, las

bacterias o sus esporas que han sido sometidas a tratamientos térmicos

necesitan un medio de cultivo más rico que el que necesitan los

microorganismos que no han estado sometidos a temperaturas elevadas.

Tratamientos térmicos como la pasteurización permiten la destrucción de

parte de la población microbiana y aunque no la destruye por completo, bajo

las condiciones adecuadas retarda el crecimiento y reproducción de

bacterias y confiere al alimento la vida útil deseada (Solanes, s.f).

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4.2. ANÁLISIS FÍSICO QUÍMICOS DE LA LECHE

Los análisis físicos químicos que se realizaron en la leche fueron: pH,

humedad y %NaCl. Los resultados se indican en la tabla 6

Tabla 6. Análisis físico químicos de la leche cruda

Ensayo

pH Humedad

(%) NaCl (%)

6.60 89.80 0.22

La norma técnica ecuatoriana para leche cruda NTE INEN 9:2003 no

establece estándares para estos análisis, por lo tanto los resultados

obtenidos no se pueden comparar con dicha norma, sin embargo, la muestra

presentó valores permitidos para su comercialización.

La leche para una gran variedad de bacterias es considerada como un

ambiente favorable debido a su actividad de agua, ya que a partir de su

disponibilidad en el medio, las bacterias desarrollan diferentes capacidades

para multiplicarse; además si la bacteria crece en un medio líquido, las

células que se producen en cada división continúan su vida

independientemente en la mayoría de los casos, formando una suspensión

de células libres (Valderrama, 2008).

Con respecto al pH, su valor es idóneo para la proliferación de bacterias, ya

que la mayoría crecen en un pH cercano a la neutralidad. Además el valor

concuerda con el medio de cultivo utilizado (TSB) para la determinación de

la curva de crecimiento y tiempo generacional.

La función del NaCl en un medio de cultivo es equilibrar la presión osmótica

del medio extracelular, es decir, que la concentración de soluto del exterior

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se equipare con la concentración del interior de la célula para detener el flujo

neto de disolvente a través de la membrana. El sodio es requerido por

bacterias halofílicas, por ejemplo se precisa una concentración elevada de

ion sodio para mantener la integridad de la membrana de muchas bacterias

halófilas como Halobacterium. Es por eso que a concentraciones muy altas

actúa como inhibidor de otras bacterias.

4.3. COMPORTAMIENTO DE E. coli EN LECHE Y EN TSB

Se realizaron por separado los análisis utilizando como medio de cultivo

leche cruda y TSB, inoculados con diferentes poblaciones de E. coli (106, 104

UFC/mL) además se comparó el recuento con una muestra de leche sin

inoculación artificial (denominada control) y las muestras se sometieron a

calentamiento hasta alcanzar una temperatura de 65ºC en un tiempo

aproximado de 20 minutos. La tabla 7 muestra los resultados promedio que

se obtuvo de los ensayos realizados tanto en leche como en TSB. A partir de

los resultados obtenidos se calculó la pendiente de la recta con la que se

estableció la velocidad de muerte.

Tabla 7. Cálculo de velocidad de muerte de E. coli durante el calentamiento

de leche y TSB

TEMPERATURA (ºC)

TIEMPO (h)

Población de E. coli inoculada artificialmente

(106) (10

4) Control

Log10 (UFC/ml)

TSB LECHE TSB LECHE LECHE

15 0 -- 6.01 -- 4.09 3,33

25 0.03 6.03 5.98 3.78 4.22 3.34

35 0.06 6.05 6.04 3.80 4.20 3.24

45 0.11 6.02 6.03 3.75 4.09 3.50

55 0.17 5.84 5.96 3.66 4.11 2.93

65 0.33 -- -- -- -- --

Velocidad muerte (Log10 UFC/ml/h)

-36.52 -37.28 -22.87 -25.71 -18.36

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Como se puede observar en la tabla 7, no se encontró población viable al

alcanzar la máxima temperatura del tratamiento (65ºC); lo que significa que

entre 55 – 65ºC se produjo la muerte de la bacteria. La velocidad de muerte

(Log10 UFC/ml/h) de la bacteria inoculada artificialmente en leche fueron:

-37.28 y -25.71 para una población de 106 y 104, respectivamente; mientras

que en la leche sin inoculación artificial (control) fue de -18.26. Cuando se

inoculó la bacteria en TSB los resultados fueron: -36.52 y -22.87 para una

población de 106 y 104, respectivamente.

Al comparar la velocidad de muerte en leche y TSB para cada población se

puede observar que es ligeramente mayor en la leche, lo que significa que a

pesar de estar bajo las mismas condiciones de tiempo y temperatura, la E.

coli tiene un grado de resistencia mayor en el medio de cultivo TSB. Sin

embargo, se puede decir, que el medio de cultivo no influyó en la muerte de

la bacteria, ya que la diferencia es relativamente baja. Además los dos

medios (leche y TSB) tienen propiedades nutritivas ideales para la

proliferación de una amplia variedad de microorganismos. De acuerdo a

Wang (1997) los componentes nutricionales que convierten a la leche en

parte fundamental de la dieta humana son los mismos componentes que

permiten el crecimiento de muchas bacterias patógenas asociadas con leche

o productos lácteos.

Para validar los resultados experimentales anteriores se utilizó el programa

informático ComBase Predictor, en el que se utilizó un modelo de

crecimiento con cambio de temperatura. Para obtener el modelado de la

curva se ingresaron los siguientes datos:

- El nivel inicial (Initial level), que es la concentración inicial que se

inoculó en la leche, en este caso se utilizaron 2 concentraciones 106 y

104.

- El estado fisiológico (Phys. State) varía entre 0 y 1 y el valor que se

adopte depende de las condiciones en las que se desarrolla el

microorganismo, para este estudio se estableció un estado fisiológico

de 0,75 considerando que el pH, el %NaCl, la aw y los nutrientes de la

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leche son ideales para el crecimiento bacteriano, no obstante no

puede ser 1 debido a que el rango de temperatura en el que se

trabajó tiene temperaturas superiores e inferiores a la óptima.

- El rango de temperatura para este modelo se contempló entre 10 y 42

ºC.

- pH fue de 6.59, según se indica en la sección 4.2.1.

- % NaCl fue de 0.2217, según se indica en la sección 4.2.3

- CO2 con un valor de 0 %CO2, puesto que es un elemento que se lo

utiliza en alimentos envasados con atmósferas modificadas.

A pesar de que el estudio se realizó hasta alcanzar una temperatura de

65ºC, el programa ComBase Predictor solo permite temperaturas entre 10 y

42ºC, es por esto que se realizó una interpolación de los valores contenidos

entre esas temperaturas. En la tabla 10 se incluyen los valores interpolados

obtenidos por la microbiología clásica y microbiología predictiva, para la

inoculación artificial de E. coli en leche.

Tabla 8. Interpolación de los valores dentro de un rango de temperatura de

10 – 42ºC

TIEMPO (min)

TEMPERATURA

(°C)

Microbiología clásica Microbiología predictiva

106 10

4 Control 10

6 10

4 Control

Log10 (UFC/ml) Log10 (UFC/ml)

0 15.0 6.00 4.09 3.33 6.00 4.10 3.30

0.6 18.3 6.00 4.14 3.33 6.00 4.10 3.30

1.2 20.1 5.99 4.18 3.33 6.00 4.10 3.30

1.8 26.2 5.98 4.22 3.34 6.01 4.11 3.31

2.4 28.3 6.00 4.21 3.31 6.01 4.11 3.31

3.0 32.8 6.02 4.21 3.28 6.02 4.12 3.32

3.6 35.0 6.04 4.20 3.24 6.03 4.13 3.33

4.2 36.1 6.04 4.18 3.30 6.03 4.13 3.33

4.8 38.1 6.03 4.16 3.36 6.04 4.14 3.34

5.4 40.6 6.03 4.14 3.41 6.05 4.15 3.35

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En la figura 8, se muestra la comparación de los recuentos durante el

calentamiento de leche de dos diferentes poblaciones (106 y 104 UFC/mL) de

E. coli inoculados artificialmente, obtenidos mediante microbiología clásica

(línea continua) y microbiología predictiva (línea punteada), se puede

observar que el crecimiento bacteriano aplicando microbiología predictiva es

más uniforme y equilibrado que con la microbiología clásica, sin embargo, el

rango en el que oscilan las bacterias es menor a 0.5 log10 (UFC/ml),

permitiendo la validación de los resultados mediante el paquete informático

Combase. Además los resultados se compararon con una muestra sin

inoculación artificial denominada control.

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Figura 10. Modelado del recuento de E. coli durante el calentamiento de

leche inoculada con E. coli (106 y 10

4 UFC/ml) y la control

006 006 006 006 006 006 006 006 006 006 006 006 006 006 006 006 006 006 006 006 006

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

Log 1

0 (

UFC

/ml)

004 004 004 004 004 004 004 004 004 004 004 004 004 004 004 004 004 004 004

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

Log 1

0 (

UFC

/ml)

003 003 003 003 003 003 003 003 003 003 003 003 003 003 003 003 003 003

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

Log 1

0 (

UFC

/ml)

Tiempo de calentamiento (min)

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4.4. INACTIVACIÓN DE E. coli

Como se mencionó anteriormente la bacteria E. coli utilizada en el presente

estudio muere en un rango de temperatura de 55 a 65ºC. Con estos

antecedentes, se determinó la temperatura de muerte usando intervalos más

cortos de temperatura.

En la figura 11, se puede observar que para la población de 104 UFC/mL a

partir de 7 minutos (que corresponden a 50°C) disminuyó tanto en TSB

como en leche. Mientras que la población de 106 UFC/mL disminuyó a partir

de 12 minutos (que corresponden a 56°C).

Estas observaciones indicarían, por un lado, que el medio de cultivo (TSB y

leche) no influyó sobre el comportamiento de la bacteria, ya que, los

resultados de los recuentos de cada medio son similares y por otra parte,

que a mayor cantidad de microorganismos se requiere de mayor

temperatura para su inactivación. Una vez que el medio ha alcanzado una

temperatura de 58°C no se detectó población de la bacteria lo que

aseguraría la eliminación completa de este microorganismo.

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61

Figura 11. Inactivación de poblaciones de 104 y 106 UFC/ml de E. coli en

leche y TSB

00 01 01 02 02 03 03 04 04 05 05 06 06 07 07

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Log

10 (

UFC

/ml)

00

01

01

02

02

03

03

04

04

05

05

06

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Log

10 (

UFC

/ml)

Tiempo de calentamiento (min)

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62

Con el fin de determinar qué cambios ocurren en la población de la bacteria

durante la inactivación térmica se hizo una interpolación de los datos

experimentales y se los comparó con los datos obtenidos a través del

programa de predicción ComBase, se utilizó una nueva herramienta del

ComBase llamada DMFit, que es una aplicación para ajustar los datos

experimentales en función del tiempo y extraer parámetros como la tasa de

crecimiento / muerte y retraso / hombro. Los datos obtenidos se muestran en

el anexo 2.

Los datos obtenidos en el programa de predicción se compararon con los

resultados experimentales (figura 12), las curvas presentan cierta similitud

entre ellas, sin embargo en todas las curvas experimentales hay un

descenso brusco de 1.56; 0.68 y 1.56 unidades logarítmicas después de

15.6; 10.2 y 10.2 min para las poblaciones de 106; 104 y control,

respectivamente; se observó que experimentalmente la E. coli muere entre

los 55 y 58°C, teóricamente la E. coli soportaría una temperatura máxima de

45°C

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63

Figura 12. Inactivación de E. coli durante el calentamiento de leche

inoculada con E. coli (106 y 10

4 UFC/ml) y la control

00 00 01 01 02 02 02 03 03 04 04 04 05 05 06 06 06

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27

log

10 (

UFC

/ml)

00 00 01 01 01 02 02 02 02 03 03 03 04 04 04 05

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27

log

10 (

UFC

/ml)

00 00 01 01 01 02 02 02 02 03 03 03 04 04 04

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27

log

10 (

UFC

/ml)

Tiempo de calentamiento (min)

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64

Las curvas experimentales de la población 104 y del control presentaron una

característica peculiar llamada “hombro”, ocurre cuando hay un incremento

inicial de la población antes de que las células empiecen a morir, esto se

debe a que la población microbiana tiene varias subpoblaciones, cada una

con su propia inactivación cinética; es poco probable que todas las células

se comporten de la misma manera y que la muerte de una sola célula se

deba a un solo evento. Aunque la población sea pura, el tiempo de

inactivación varía para cada microorganismo debido a la variación biológica,

por lo tanto la curva es el resultado de varios patrones de inactivación

(Boekel, 2002).

De acuerdo a Corradini, (2009) las células de E. coli producen proteínas de

choque térmico que les ayudan a sobrevivir a tratamientos suaves de

temperatura, ya que su metabolismo se ajusta en respuesta a una tensión y

aumenta su capacidad de supervivencia, sin embargo necesitan tiempo para

activar su sistema de protección y sintetizar elementos químicos por lo que,

la velocidad de calentamiento debe ser baja.

4.5. APLICACIÓN DE LA MICROBIOLOGÍA PREDICTIVA

Una aplicación de la microbiología predictiva podría ser la predicción del

crecimiento de E. coli en leche a diferentes temperaturas. Para este ejemplo

en particular se utilizó dos temperaturas: 37ºC (temperatura óptima de

crecimiento) y 10ºC (temperatura máxima de refrigeración).

Los resultados se muestran en la figura 13, donde la curva (A) corresponde

al crecimiento de E. coli a 37ºC y (B) corresponde al crecimiento de E. coli a

10ºC. La figura muestra claramente que la temperatura juega un papel

importante en el crecimiento de la bacteria, ya que a pesar de que el resto

de parámetros (pH, %NaCl, estado fisiológico, entre otros) son los mismos

en las dos curvas, son completamente diferentes; en la curva (B) se observa

un crecimiento lento, tanto que no alcanza la fase exponencial sino que se

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65

mantiene en latencia, mientras que en la curva (A) se distingue fácilmente

las fases exponencial y estacionaria.

A 37ºC el tiempo generacional de la bacteria es de 0.27h mientras que a

10ºC tarda 7.62h en duplicar el número de células.

Figura 13. Crecimiento de E. coli en leche a diferentes temperaturas

utilizando microbiología predictiva

Esta misma aplicación se puede hacer bajo las condiciones y factores

requeridos y a pesar de que el modelado matemático es realizado

generalmente, asumiendo condiciones constantes para determinar los

valores de los parámetros cinéticos de crecimiento; actualmente está

orientado a la obtención de modelos dinámicos, que permitan predecir la

seguridad o vida útil de los alimentos bajo condiciones fluctuantes, ya que

factores como temperatura, pH o composición de la atmósfera gaseosa no

se mantienen constantes durante el procesado y almacenamiento de los

alimentos (Labuza y Taoukis, 1992). Uno de los factores que más fluctúa es

(A)

(B)

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66

la temperatura de almacenamiento y es el más investigado (Roos y

McMeekin, 1994).

Los modelos predictivos son una manera muy eficaz rápida, eficiente y de

bajo costo para evaluar el potencial de crecimiento de los microorganismos

bajo condiciones específicas sin necesidad de estudios prácticos, por

ejemplo, durante el desarrollo de productos, una formulación puede cambiar

varias veces antes de obtener la adecuada y no siempre es posible evaluar

experimentalmente la vida útil de todas las posibles formulaciones, mediante

esta herramienta es trabajo se vuelve más rápido y económico además,

permite evaluar el crecimiento microbiano cuando las condiciones del

producto cambian durante cualquier etapa en la producción.

Otra aplicación importante es la determinación de la vida útil en una gran

variedad de alimentos (por ejemplo en productos cárnicos: Vankerschaver y

col., 1996; Kant-Muermans y col., 1997; Neumeyer y col., 1997a, b;

Devlieghere y col., 1999). Los sistemas de predicción pueden ser utilizados

para predecir el tiempo necesario para que organismos patógenos u

organismos que producen toxinas alcancen niveles perjudiciales para la

salud.

En la actualidad, existen modelos predictivos que abarcan productos

alimenticios específicos que se basan en organismos de descomposición

que ataca dicho producto. Hay modelos para pescado, carne, productos

frescos y levaduras en frutas y bebidas, además de una amplia gama de

modelos para alimentos acidificados.

Se debe tener en cuenta que al igual que ocurre con el análisis de riesgos y

el HACCP, la predicción debe considerar todas las etapas en la producción

de un alimento. Deben obtenerse datos exactos acerca de las materias

primas utilizadas, la formulación de productos, montaje de productos,

técnicas de procesamiento, condiciones de higiene, tipo de empacado

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67

empleado, almacenamiento, procesos de distribución y el manejo final del

consumidor para obtener una predicción fiable (Santos, 2007).

En la actualidad, la contaminación ambiental, los alérgenos, la aparición de

nuevas enfermedades transmitidas por alimentos, etc. son elementos de

riesgo para la salud de los consumidores, que requieren avances científicos,

tecnológicos y desarrollos legales en el campo de la Seguridad Alimentaria.

Es importante adoptar nuevas tecnologías y sistemas para la gestión de la

seguridad alimentaria como la microbiología predictiva, un campo aún

desconocido en el Ecuador, que tiene grandes proyecciones a nivel

internacional, ya que, no solo permite un control rigurosos del

comportamiento microbiológico en diferentes ambientes sino que también

mejorar e implementar un plan HACCP para prevenir el riesgo de

contaminación alimentaria, además representa una ventaja competitiva para

la empresa.

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68

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1. CONCLUSIONES

El crecimiento de las bacterias en un medio de cultivo puede

determinarse midiendo experimentalmente el incremento del número

de células en su fase exponencial, donde alcanzan su velocidad

máxima de crecimiento. De acuerdo con los resultados

experimentales obtenidos la E. coli puede duplicar el número de

células (tiempo generacional) en 22.56 minutos si se encuentra bajo

condiciones óptimas de crecimiento. Este valor puede variar si las

condiciones cambian.

La velocidad máxima de crecimiento está influenciada principalmente

por condiciones ambientales (temperatura y composición del medio),

mientras mayores sean las condiciones favorables, mayor será el

crecimiento. A través del programa informático ComBase Predictor, se

obtuvo una velocidad máxima de 0.81 conc./g/h, es decir que la

disposición de nutrientes fue máxima y los metabolitos tóxicos

liberados fueron mínimos.

Los valores de tiempo generacional y la predicción del ComBase son

similares, 22.56 y 22.2 minutos respectivamente, indicando que el

programa ComBase Predictor, es una herramienta efectiva y útil en el

campo de la microbiología de alimentos, además, es económica y

fácil de usar.

De acuerdo a los resultados, el comportamiento de la E. coli no se vió

afectado por el medio de cultivo, la bacteria presentó un

comportamiento similar tanto en leche como en TSB durante el

tratamiento térmico. Este resultado era de esperarse considerando

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69

que los medios de cultivo como el TSB están diseñados para proveer

los nutrientes esenciales a los microorganismos, nutrientes que

también son parte de la composición de la leche. Ambos medios

favorecieron las posibilidades fisiológicas de los microorganismos.

Los resultados experimentales demuestran que la E. coli muere entre

55 – 58ºC y por lo tanto, habría sido ya inactivada a temperaturas de

pasteurización (62 – 65ºC) no obstante este proceso es muy

importante en la industria lechera porque la E. coli no es la única

bacteria presente en la leche sino que hay una gran variedad y

cantidad de microorganismos y cada uno de éstos presentará

diferente comportamiento de inactivación por temperatura.

La adaptación de microorganismos a diferentes condiciones tiene un

impacto directo sobre la seguridad alimentaria, por eso es importante

la cuantificación de este efecto, en el presente trabajo de

investigación, durante la inactivación de E. coli se observó en dos de

las tres curvas un ligero incremento en la cantidad de células

(hombro) antes de que empiecen a morir, se puede decir que la

bacteria inicialmente se estaba adaptando al calor. Aunque la

interpretación de los llamados “hombros” en la curva es muy

compleja, ya que es difícil conocer las causas reales de este

fenómeno y una sola curva no es suficiente para saber si el

crecimiento inicial es debido al calor.

La microbiología predictiva, es una herramienta que permite la

optimización de recursos, principalmente tiempo, ya que los

resultados microbiológicos derivados de cambios en la composición,

cambios ambientales, entre otros, pueden ser evaluados rápidamente

y conocer la repercusión de microorganismos sobre los alimentos.

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70

5.2. RECOMENDACIONES

Es recomendable realizar un estudio del comportamiento de E. coli a

temperaturas constantes de inactivación, puede ser a 56 y 58ºC para

determinar el grado de resistencia que tiene la bacteria a dichas

temperaturas en un tiempo determinado y saber si a temperaturas

constantes también se forman “hombros” en la curva de

supervivencia, ya que en el presente trabajo la inactivación se realizó

en un rango de temperatura bastante amplio y es difícil interpretar los

resultados y saber si efectivamente hubo cierta adaptación al

tratamiento térmico.

Independientemente de aplicar un tratamiento térmico para

determinar el comportamiento de E. coli es recomendable el estudio

de la influencia de otros factores como el pH, ya que la leche tiene

una amplia variedad de productos lácteos en los que el pH tiene un

papel muy importante.

Se recomienda aplicar la microbiología predictiva en otros alimentos,

ya que ofrece distintos tipos de predicción para microorganismos

patógenos y alterantes, en diferentes escenarios y es de gran utilidad

para establecer la vida comercial de productos alimenticios.

La microbiología predictiva es una alternativa viable para estimar la

calidad y seguridad microbiológica de los alimentos con perspectiva

para convertirse en línea de investigación en el país al tratarse de una

herramienta moderna; además su uso servirá de apoyo al sistema de

gestión de calidad en el sector alimentario para implementar y evaluar

innovaciones de los procesos productivos.

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78

ANEXO I

DATOS DE LA CURVA DE CRECIMIENTO

(MICROBIOLOGÍA PREDICTIVA Y CLÁSICA)

Tiempo (h)

Microbiología Predictiva

Microbiología Clásica

log 10 (UFC/ml)

0 2 2.24

0.96 2.76 2.51

1.44 3.15 2.29

2.4 3.93 3.74

3.36 4.7 4.12

4.32 5.48 3.98

5.28 6.25 4.77

6.24 6.99 5.57

7.2 7.66 6.22

8.16 8.18 7.29

9.12 8.49 7.45

10.08 8.62 8.22

11.04 8.67 8.53

12 8.69 9.07

12.96 8.69 10.18

13.44 8.69 10.88

14.4 8.7 10.18

15.36 8.7 11.85

16.32 8.7 11.73

17.28 8.7 11.19

18.24 8.7 11.59

19.2 8.7 12.54

20.16 8.7 11.54

21.12 8.7 11.84

22.08 8.7 11.88

23.04 8.7 11.16

23.52 8.7 --

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79

ANEXO II

DATOS DE INACTIVACIÓN DE E. coli DURANTE EL

CALENTAMIENTO DE LECHE INOCULADA CON E.

COLI (106 Y 10

4 UFC/ML) Y LA CONTROL

TIEMPO (min)

Microbiología Predictiva Microbiología Clásica

106 10

4 Control 10

6 10

4 Control

Log10 (UFC/ml) Log10 (UFC/ml)

0 6.05 4.04 3.39 5.99 4.12 3.65

0.6 6.04 4.06 3.44 5.99 4.12 3.65

1.2 6.03 4.07 3.48 5.99 4.12 3.65

1.8 6.02 4.09 3.53 5.99 4.12 3.65

2.4 6.01 4.10 3.56 5.99 4.12 3.65

3 6.00 4.12 3.60 5.99 4.12 3.65

3.6 5.99 4.13 3.63 5.99 4.12 3.65

4.2 5.98 4.15 3.66 5.99 4.12 3.65

4.8 5.97 4.16 3.69 5.99 4.12 3.65

5.4 5.96 4.17 3.71 5.98 4.12 3.65

6 5.95 4.18 3.74 5.98 4.12 3.65

6.6 5.93 4.20 3.76 5.98 4.12 3.64

7.2 5.92 4.21 3.78 5.97 4.11 3.63

7.8 5.90 4.14 3.75 5.96 4.1 3.6

8.4 5.87 4.07 3.71 5.94 4.07 3.55

9 5.84 3.97 3.66 5.92 4.04 3.5

9.6 5.82 3.86 3.62 5.9 3.95 3.38

10.2 5.78 3.69 3.56 5.82 3.79 3.19

10.8 5.63 3.10 3.39 5.75 3.55 2.94

11.4 5.59 3.06 3.11 5.68 3.4 2.8

12 5.54 3.02 2.00 5.58 3.07 2.5

12.6 5.49 2.97 1.94 5.46 2.71 2.19

13.2 5.43 2.91 1.89 5.17 2.33 1.87

13.8 5.37 2.84 1.82 4.99 2.14 1.7

14.4 5.29 2.76 1.74 4.81 1.76 1.38

15 5.19 2.66 1.64 4.61 1.37 1.05

15.6 5.07 2.54 1.52 4.18 1.17 0.88

16.2 4.90 2.36 1.34 3.96 0.79 0.55

16.8 4.61 2.06 1.04 3.74 0.4 0.22

17.4 3.43 0.00 0.00 3.51 0.01 -0.11

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80

DATOS DE INACTIVACIÓN DE E. coli DURANTE EL

CALENTAMIENTO DE LECHE INOCULADA CON E.

COLI (106 Y 10

4 UFC/ML) Y LA CONTROL

(CONTINUACIÓN)

18 3.39 -- -- 3.28 -- --

18.6 3.35 -- -- 2.82 -- --

19.2 3.31 -- -- 2.58 -- --

19.8 3.25 -- -- 2.35 -- --

20.4 3.20 -- -- 2.12 -- --

21 3.13 -- -- 1.65 -- --

21.6 3.05 -- -- 1.41 -- --

22.2 2.95 -- -- 1.18 -- --

22.8 2.83 -- -- 0.94 -- --

23.4 2.65 -- -- 0.71 -- --

24 2.35 -- -- 0.01 -- --

24.6 0.00 -- -- 0 -- --