Biotecnología de Alimentos

Agentes Biológicos

Según la Organización de Cooperación y Desarrollo

Económico

“La Biotecnología es la aplicación de los principios científicos y de la ingeniería al procesamiento de materiales por agentes biológicos para proveer bienes y servicios”

La Biotecnología utiliza agentes biológicos de distinta naturaleza, desde plantas o animales hasta microorganismos, células de tejidos animales o vegetales o enzimas, para obtener productos de utilidad en muy diversos campos: farmacéutico, diagnóstico, médico, quirúrgico, agrícola, alimentario, ambiental, etc.

Agentes biológicos usados en Biotecnología

Células enteras Células microbianas Células vegetales

Partes de células Animales Vegetales

Enzimas

Organismos enteros Animales Vegetales

Órganos

http://www.voeding.tno.nl/ProductSheet.cfm?PNR=voe246e

http://www.voeding.tno.nl/ProductSheet.cfm?PNR=voe246e

Definiciones de Fermentación de alimentos

• Burbujeo ligero o acción de burbujeo

• Producción de CO2• Pasteur: “vida en ausencia de oxígeno”

• Gay-Lussac:– fermentación alcohólica:

1 mol glucosa 2 moles alcohol + 2 moles CO2

• Degradación controlada de un producto alimenticio

Fermentación

• Ruptura anaeróbica de un sustrato orgánico por un sistema enzimático en el que el aceptor final de electrones es un compuesto orgánico

• Ejemplo:

• Proceso biológico que ocurre en la oscuridad y que no involucra cadenas respiratorias con oxígeno o nitrato como aceptor de electrones

Bioquímica de la fermentación de alimentos

• Azúcares Ácidos Alcoholes, Aldehídos

• Proteínas Amino ácidos Alcoholes, Aldehídos

• Lípidos Ácidos Grasos libres Cetonas

Por qué fermentamos alimentos?

• Preservación de los alimentos• Inhibición de patógenos• Inhibición de organismos indeseados• Cambio de las características

organolépticas• Flavor• Textura• Aroma• $$$

FermentaciónControlada vs. Natural

• Fermentación natural• Crear condiciones para inhibir

fermentaciones indeseables y permitir las fermentaciones deseables

• Ejemplos:– fermentación

• Bebidas del tipo de la cerveza Brussels, Belgium

– Fermentaciones vegetales Vegetales + sal

FermentaciónControlada vs. Natural

• Fermentación controlada– Agregado deliberado de

microorganismos para asegurar la fermentación• Ejemplo: productos fermentados lácteos

– Lactosa ácido Láctico – Cultivos Starter

Lácticos o starter láctico o bacteria ácido láctica (LAB)

Fermentación Secundaria

• Microorganismos diferentes a los starters (flora secundaria)

• Ejemplo: productos fermentados lácteos

• bacterias no starters ácido lácticas (NSLAB)

• mejora de las propiedades organolépticas del producto

Qué Microorganismos Dominan?

Depende de:• Factores relacionados a los alimentos– Nutrientes– pH– Actividad de agua

• Factores ambientales– Temperatura– Atmósfera– Humedad Relativa

Microorganismos Usados en Fermentaciones de Alimentos

• Bacterias productoras de ácido láctico– LAB Homofermentativas– LAB Heterofermentativas

• Levaduras productoras de etanol– Saccharomyces cerevisiae

• Microorganismos productores de flavor – Bacterias, levaduras, mohos

• Bacterias productoras de ácido acético– Acetobacter

LABHomofermentativas

• Glicólisis anaerobia de glucosa• Glucosa 2 Piruvato 2

Lactato• Rendimiento 1.8 mol de lactato por

mol de glucosa (~90% conversión)• Rendimiento neto de energía: 2 mol

ATP/mol glucosa• Lactococcus, Streptococcus,• Pediococcus, Lactobacillus (algunos)

LABheterofermentativas

• Ruta monofosfato o pentosafosfato• Glucosa ácido láctico(~50%) + Ethanol +CO2

• También puede formar acetato

• Rendimiento neto de energía: 1 mol ATP/mol glucosa

• Leuconostoc, Lactobacillus (algunos)

• Algunos Lactobacillus heterofermentativos– Rutas bioquímicas alternativas para obtener energía

• fermentación de Arginina• Fuerza motora de protones

Saccharomyces

• Saccharomyces– saccharo: azúcar– myces: hongo

• Se encuentra naturalmente en uvas y otros frutos

• Muchas cepas se encuentran disponibles comercialmente

• Metabolismo Aeróbico o anaeróbico• El alcohol es producido

anaeróbicamente• Glucosa Etanol CO2

Microorganismos Productores de Flavor

• Bacteria– Limburger- Brevibacterium linens– Swiss- Propionibacterium freundenreichii

• Hongos– Camembert- Penicillium camemberti– Roquefort- Penicillium roqueforti– Tempa- Rhizopus oligosporus

Bebidas alcohólicas

• Productos

– Cervezas– Vinos– Bebidas

destiladas

Bebidas alcohólicas

• Microorganismos

– Levaduras• Saccharomyces cerevisiae

– Bacteria ácido láctica– Deseable o indeseable dependiendo del

producto

Bebidas alcohólicas

• Preservación• Alta acidez/bajo pH (vino)• Etanol (todas bebidas alcohólicas)• Sulfitos (vino)

OUR PRODUCTS Although we are best known for our specialty dried yeast strains,

Lallemand also offers winemaker nutrients, bacteria, enzymes and other

fine enological products.

Vinos

• Vinos naturales– Secos– Ligeramente dulces– Espumantes

• Vinos para postres y aperitivos– Vino con flavor especial (e.g. Vermut)– Jerez– Vinos dulces

• La definición bioquímica del vino sería: bebida proveniente de la fermentación alcohólica de los azúcares del jugo de uva por acción de levaduras y, en ciertos casos, por bacterias lácticas.

Producción de vinos

• Aplastar las uvas para obtener el jugo llamado:– Mosto

• Agregado de SO2 (depende del vino)– agente anti-browning – Inhibe el crecimiento de organismos

indeseables• Fermentación

– Inocular con cultivo activo de levaduras (1-5%)

– Incubar a 70-85o

• Estacionar/Añejar/Filtrar/Embotellar

Vinagre

• Microorganismos– Acetobacter y Gluconobacter

– Ethanol Ácido Acético

• Preservación– Ácido Acético

Cerveza

• Granos– Cebada

• Lúpulo– Flores de lúpulo

• Levaduras– Saccharomyces cereviceaeLa cerveza es una bebida resultante de la fermentación

alcohólica, mediante levadura seleccionada, de un mosto procedente de la malta (germinación, secado y tostado de los granos de cebada), al que se han agregado lúpulos y sometido a un proceso de cocción. Tras filtrar la cerveza, se procede a su envasado en botellas, botellines, latas o barriles.

Cerveza

• Lager • Ale• Porter• Stout• Bock• Weiss

"I drink to your health when I'm with you

I drink to your health when I'm alone

I drink to your health so oftenI'm beginning to worry about

my own"

Cerveza

• Lager-alto alcohol, baja fermentación ( la levadura está en el fondo fermentado, S. cerevisiae)

• Ale-color pálido, alto alcohol, alta fermentación (la levadura está arriba, S. uvarum)

• Porter-oscura ale, fermentación de malta tostada• Stout-un cuerpo fuerte con dulce flavor a malta• Bock-fuerte, oscura, alto grado de alcohol• Weiss-de trigo, áspero, marcado flavor de malta y

lúpulo, CO2 natural, frecuentemente turbia

Malteado

• Cebada añejada para almacenamiento• Empapamiento (45 horas)

– Agua y aireación (respiración y lavado)

• Germinación (5 días)– Desarrollo en núcleos – Producción de enzimas sacarolíticas, proteolíticas,

peptidolíticas– Horneado (24-48 horas)– Calentamiento a altas temperaturas– Destrucción de enzimas y agregado de flavor

• Enfriamiento/Screening/Limpieza/Almacenamiento/Elaboración de la cerveza

Elaboración de la cerveza

• Malteado• Trituración • Hervir el “mosto” de lúpulo• Fermentación

– Saccharomyces– 4-14oC durante 8-10 días– Produce etanol, CO2 y flavor

• Añejado/Filtrado/Carbonatado/Packaging

Bebidas destiladas

• Whiskey/Bourbon-grano (arroz, maíz, trigo, cebada); añejadas en cubas de roble

• Gin-grano; flavored con junípero• Schnapps-grano• Brandy/Cognac-vinos (uvas, ciruela,

manzana,cereza, kirsch)• Rum- azúcares, especialmente melazas• Tequila- century plant crowns• Arrak/Rak/Okelehao-arroz fermentado más

azúcar y extractos vegetales

Productos lácteos fermentados• Quesos

• Leches fermentadas

– Yogurt

– Leche Acidófila(resulta de la acción de Lactobacillus acidophilus sobre la leche)

– Crema agria

– Manteca cultivada

– Kefir( producto resultante de la fermentación de la leche por los fermentos contenidos en el grano del quefir, o por adición de levadura de cerveza y fermentos lácticos propios)

ProductosFermentados Lácteos

• Microorganismos

– Lactococcus– Leuconostoc– Lactobacillus– Otros

• Preservación• Producción de ácido láctico

Probióticos

• L. bulgaricus y S. thermophilus.• Los cultivos conocidos como probióticos son bacterias

beneficiosas que residen naturalmente en el tracto digestivo

• mejoran la función intestinal

• promueven la buena digestión

• mejoran las defensas naturales del organismo.

Probióticos • Lactobacillus acidophilus

L. acidophilus produce beneficios en el tracto gastrointestinal • L. acidophilus ayuda a disminuir el colesterol por interferir con su

reabsorción en el intestino. • Bifidobacteria (Bifidus)

Bifidus estimula al sistema inmune, ayuda a prevenir trastornos digestivos permitiendo el desarrollo del tracto digestivo.

• Lactobacillus caseiL. casei estimula el balance bacteriano en el intestino. Esto mejora el sistema inmune por inhibición del desarrollo de organismos productores de diarrea, alivio de la constipación, reducción de la hipertensión, inhibe el desarrollo de tumores carcinogénico, y suprimen microorganismos productores de enfermedades.

• Lactobacillus reuteriL. reuteri inhibie el desarrollo y la actividad de bacterias perjudiciales como Salmonella, E. coli, Staphylococcus, Listeria and la levadura Candida. También tiene efectos terapéuticos y profilácticos tanto en diarreas virales como bacterianas. L. reuteri estimula el sistema inmune mejorando la resistencia a enfermedades gastrointestinales.

Yogurt

• Es el producto resultante de la acción de Lactobacillus bulgaricus y de Streptococcus thermophilus sobre la leche, preferentemente reducido por ebullición a 2/3 de su volumen.

• Preparar la mezcla básica, homogeneizar, tratamiento con calor, inoculación con el

starter– Colocar el pack de yogurt en un recipiente con

frutas, incubar, enfriar Agitar la mezcla incubada con frutas, frío y

empaquetar

Yogurt

• Organismos que producen ácido láctico y acetaldehído– Streptococcus thermophilus

• Produce CO2 y ácido fórmico

– Lactobacillus bulgaricus• Degrada las proteínas de la leche

Quesos• Queso Cottage • Roquefort• Stilton • Queso azul• Gorgonzola • Camembert • Brie• Swiss• Baby Swiss• Gouda• Edam• Romano

• Limburger• Queso brick tradicional• Cheddar• Colby• Sweet Brick• Muenster• Havarti• Muzzarella• Provolone• Parmesano

Etapas Generales de la producción de Quesos

• Pasteurización• Agregado del starter

– Lactose ácido láctico• Formar un grumo

– Cuajar el grumo cuajada ácida o cuajada ácida caliente

• Cortar la cuajada• Calentar la cuajada + suero• Remover el suero• Salado – Acollarado - Prensado• Curado-maduración

Cambios en la calidad durante el proceso/añejamiento

• Flavor a manteca– Citrato Diacetilo– Algunas LAB

• Formación de “ojos” – producción de CO2– Propionibacterium shermanii

• “Venas azules”– Penicillium roqueforti

Quesos Cuajados Ácidos

• Queso Cottage

– Starter

• Lactococcus lactis subsp. lactis

• Lactococcus lactis subsp. cremoris

IQuesos madurados internamente Blue Mold

• Roquefort• Stilton• Queso Azul• Gorgonzola

Quesos madurados internamente Blue Mold

• Lactococcus lactis subsp. lactis• Penicillium roqueforti or Penicillium glaucum• Cepas metabolizadoras de Citrato (a veces)

– Lactococcus lactis subsp. lactis biovar diacetylactis

– Leuconostoc

Quesos madurados externamente Blue Mold

• Tipos– Camembert– Brie

• Cultivos– Lactococcus sp.– Penicillium camemberti

Quesos con “ojos”

• Swiss• Baby Swiss• Gouda• Edam

Swiss y Baby Swiss

• Predominante- Streptococcus thermophilus• Pequeña cantidad - Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus• Pequeña cantidad - Lactobacillus helveticus• Pequeña cantidad - Lactobacillus lactis• Opcional- Lactococcus• Propionibacterium fruedenreichii subsp. shermanii

– ácido láctico CO2

Gouda y Edam

• Lactococcus spp.– Glucosa ácido láctico

• Leuconostoc spp.– ácido cítrico CO2

• Lactococcus lactis subsp. lactis biovar diacetylactis– ácido cítrico CO2

Quesos madurados en superficie

• Limburger• Queso tradicional

Quesos madurados en superficie

• Lactococcus spp.– Glucosa ácido láctico

• Brevibacterium linens– Color rojo amarillento y flavor

• Levaduras ( D. hanssenii, Candida spp., G. candidum, Y. lipolytica)– metaboliza ácido láctico (aumento de pH)– Sintetizan vitaminas (ácido pantoténico, niacina, riboflavina)

• Micrococcus sp. ( M. varians, M. caseolyticus, M. freudenreichii)

Cheddar,Colby, Sweet Brick,Muenster, Havarti

• Cheddar- Lactococci

• Colby- Lactococci

• Brick- Lactococci o Streptococcus thermophilus

• Muenster- Streptococcus thermophilus

• Havarti- Lactococci , Leuconostoc sp., Lactococcus lactis subsp. lactis biovar diacetylactis metabolizador de citrato

Pasta Filata :Mozzarella y Provolone

• Streptococcus thermophilus– Principales productores de ácidos

• Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus o Lactobacillus helveticus

• Relación cocos: bacilos– 1:1 o 3:1 o 5:1

Quesos grana: Parmesano yRomano

• Streptococcus thermophilus

• Lactobacillus delbrueckii subsp.

• Bulgaricus o Lactobacillus helveticus

• Lactococcus lactis (a veces)

• Relación cocos: bacilos

1:1 o 3:1

Productos vegetales fermentados Sauerkraut (cabbage)

• Sauerkraut (repollo)

• Pickles (pepino)

• Aceitunas

• Otros vegetales

Productos vegetales fermentados

• Microorganismos– Leuconostoc mesenteroides– Pediococcus spp.– Lactobacillus brevis– Lactobacillus plantarum

Productos vegetales fermentados

• Preservación– Fermentación natural– Efecto combinado de:

• Producción rápida de ácido láctico (pH<4.6)• sal agregada• condiciones anaerobias (CO2)• baja temperatura

Sauerkraut

• Tiras de repollo (0.1 cm de grosor)

• Mezclar el repollo con 2.25% sal– Poca sal: desarrollo de

bacterias indeseables– Mucha sal: lenta

producción de ácido por Leuconostoc

• Empaquetar, cubrir y sellar el fermentador

• Incubar a 21-24oC durante 1-2 meses

• Detener la fermentación por enlatado/refrigeración

Productos fermentados de cereales

•Panes •Crackers •Pretzels

3000 años antes de nuestra era los egipcios y babilonios sabían como usar la fermentación de levaduras salvajes para hacer pan diferente de las tortas planas y compactas tradicionales

• Microorganismos– Levaduras

• Saccharomyces cerevisiae– Fermento (CO2)

– Maduración de la masa

– desarrollo de Flavor

– Bacteria Ácido Láctica• Lactobacillus sanfrancisco

Productos fermentados de cereales

Pan

• Mezclar harina, agua, azúcar, leche, sólidos, sal y grasas

• Agregar levaduras ( Saccharomyces cerevisiae)

• Incubar (25-30oC)

• Hornear

•Fermento fresco– se presenta en forma de bloques, de color crema o marfil, con consistencia compacta y homogénea, con un tenor de humedad elevado (lo que exige refrigeración para su conservación, limitando su uso por períodos prolongados). Cuando es almacenado a una temperatura de 5°C, su vida no se extiende a más de 12 días.

•Fermento seco –el seco granulado no activo y el deshidratado instantáneo activo. El primero posee células que están en estado latente, y que precisan ser revigorizadas antes de su uso.- Eso normalmente se realiza rehidratando con agua 15 a 20 minuto antes de su uso a 38°C. En este caso la relación fermento fresco: deshidratado es 1 Kg. de fresco para 400 a 500 g de granulado. –el granulado está siempre embalado en un recipiente al vacío siendo incorporado directamente en la masa, en el inicio del proceso. Este tipo de fermento e producido por procesos más sofisticados, usándose cepas de levaduras especiales y secado en lecho fluido.

Chocolate

• Semillas de cacao

• Microorganismos naturales – Levaduras – Bacterias

• Lactobacillus• Acetobacter

• Originario de América, kab (jugo) + kaj (amargo), Chacauhaa (chacau: caliente, haa bebida)

• Theobroma cacao, Theobroma : alimento de los dioses.

• Chocolate: producto industrializado final que contiene el gusto y color típico del producto

• Cacao: producto comercial a partir del que se obtienen otros a posteriori

Estudio empírico de la obtención de cacao comercial

• La almendra de cacao tal como sale del fruto es color púrpura, sabor amargo y aroma astringente.

• Curado: propiamente dicho (retirada de la semilla del fruto, colocación en cajas) y el secado de las semillas

• Durante el curado en cajas se produce la oxidación del alcohol etílico de los exudados hay desprendimiento de CO2 lo que atrae insectos que inoculan con Acetobacter y hay formación de ácido acético

• Hay pérdida de astringencia de las semillas, la coloración púrpura se torna parda y luego del secado marrón. Hay formación de precursores que luego del secado serían los responsables del sabor típico del chocolate.

Biofermentación

1. Multiplicación de levaduras y producción de alcohol etílico ( fase “alcohólica”)

2. Multiplicación de acetobacterias y producción de ácido acético (“fase acética”)

3. Difusión del ácido acético (permeabilización del tegumento)

4. Autólisis de los microorganismosTodos estos fenómenos son acompañados por

aumento de la temperatura, cambios de pH, secreción de exudados, etc).

Quimiofermentación

1. Las almendras presentan un tenor de humedad relativo de 50-60%, son llevadas a secado

2. Secado en cilindros de rotación mecánica o en tambores

3. Las enzimas producidas en la etapa anterior, biofermentación, dan las características propias del chocolate

4. La humedad final no debe superar el 6%5. Esta etapa no involucra células vivas

Pulp Composition

Before fermentation

After fermentation

Sucrose 12% 0%

Citric acid 1-3% 0.5%

Pectin 1-1.5% _

pH 3.7 6.5

Ethyl alcohol

_ 0.5%

Acetic acid _ 1.6%

Productos cárnicos fermentados

• Embutidos semi –secos, – Summer sausage– Lebonon bologna

• Embutidos secos – Genoa salami– Hard salami – Pepperoni

Productos cárnicos fermentados

• Microorganismos– Pediococcus pentosaceus– Lactobacillus

• Preservación– Producción de ácido Láctico (bajo pH)– Sal y otros aditivos– Baja actividad de agua