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Microbiología de los productos agroindustriales
SACARAFICACION
Todos aquellos sustratos que aportan sacarosa son agentes sacarificantes.
Los almidones, hemicelulosas y celulosas se deben hidrolizar y convertir en azúcares fermentescibles
mediante agentes químicos o enzimáticos antes de poderlos usar en ciertas aplicaciones industriales como la
producción de etanol.
Entre los sustratos a sacarificar están: cereales, papa, remolacha, melazas, cebada, hortalizas, residuos
agrícolas (tusas de maíz, cáscara de semillas de algodón y de arroz), residuos del lino y avena, bagazo de
caña de azúcar y madera, entre otros.
Entre los microorganismos utilizados están hongos de los géneros: Aspergillus, Mucor, Penicilluim,
levaduras como Saccharomyces y bacterias.
I. AGENTES SACARIFICANTES
Todos aquellos sustratos que aportan sacarosa son agentes sacarificantes. Los almidones, hemicelulosas y
celulosas, se deben hidrolizar y convertir en azúcares fermentescibles, mediante agentes químicos o
enzimáticos, antes de poderlos usar en ciertas aplicaciones industriales como la producción de etanol. Una
gran variedad de métodos se pueden usar para convertir carbohidratos complejos en materiales relativamente
simples. Los almidones naturales, que son polímeros de la glucosa, están compuestos por dos fracciones: la
fracción amilosa, polímero lineal y la fracción amilopectina que es un polímero ramificado.
Entre los sustratos a sacarificar están: cereales, papa, remolacha, melazas, cebada, hortalizas, residuos
agrícolas (tusas de maíz, cáscara de semillas de algodón y de arroz), residuos del lino y avena, bagazo de
caña de azúcar y madera, entre otros.
Entre los microorganismos utilizados están hongos de los géneros: Aspergillus, Mucor, Penicillum, levaduras
como Saccharomyces y bacterias.
I.1. ALMIDÓN COMO SUSTRATO
El almidón es un polisacárido de almacenamiento de los cereales, que consta de varios polímeros, incluyendo
el contenido de amilosa y amilopectina
El almidón es un polisacárido de reserva de los vegetales que está distribuido tanto en las raíces, tallos y
hojas, se encuentran más abundantemente en las semillas de los cereales y en los tubérculos como las patatas,
camote, yuca, etc. (tabla 1). Los almidones están presentes en los tejidos vegetales en forma de gránulos
intracelulares compactos. Los gránulos de almidón suelen hincharse progresivamente y los polímeros más
cortos se disuelven cuando se calientan en agua a 60ºC aproximadamente y a temperaturas más altas los
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gránulos se gelatinizan y pierden su poder de birrefringencia, se desintegra y forma una pasta según el origen
y la concentración del almidón.
Tabla 1.Composición bromatológica de productos vegetales
I.2. LAS AMILASAS
Las amilasas son enzimas que degradan el almidón y tienen numerosas aplicaciones biotecnológicas, un
ejemplo de ello es la producción de jarabes, que contienen oligosacáridos maltosa y glucosa. Degradación
enzimática del almidón por acción de la amilasa (alfa y beta, amiloglucosidasa y pupulunanasa). Estas
enzimas actúan sobre el almidón hidrolizando enlaces glucosídicos α-(1,4) y/o β-(1,6)
Tabla 2. Composición de amilosa y amilopectina en almidones naturales
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DISTRIBUCIÓN Y MODO DE ACCIÓN DE LA Α-AMILASA.
Esta está distribuido ampliamente en los microorganismos (B. acidocaldarius, B, subtilis, Bacteroides
amylophilus, Clostridium acetobulicum, Lactobacillus amilophilus Micrococcus haloptus), que hidrolizan
enlaces (α-1,4) glicosídicos de la amilosa, amilopectina y glicógeno, pero no enlaces (α-1,6). La hidrólisis de
la amilosa por a-amilasa causa una conversión en glucosa maltosa, maltotriosa
DISTRIBUCIÓN Y OCURRENCIA DE LA Β-AMILASA
Esta presente ampliamente en plantas y microorganismos tales como bacterias y levaduras, ésta enzima actúa
sobre los extremos no reductores de la amilosa, amilopectina o glicógeno; hidrolizando enlaces glicosídicos
alternantes, produciendo las formas B-anoméricas de maltosa.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA Α-AMILASA.
Las α-amilasas son generalmente estables a pH 5.5 -8.0 en presencia de un complemento de calcio, la
actividad óptima es de pH 4.8 a 6.5. Según el pH actúa en amilasas alcalinas y ácidas; son alcalinas (8.0 -
10.5), que se usan en la fabricación de detergentes principalmente; las amilasas ácidas actúan en un rango de
pH de (3.5- 5.0) cuya existencia indica una mejora potencial en los procesos de degradación de almidón.
Según la temperatura pueden clasificarse en amilasas termoestables y termolábiles; las termoestables actúan
sin perder su actividad en un rango de 60 a 110ºC y la mayoría de ellas son de origen bacteriano; las enzimas
termolábiles actúan 20 -55ºC y son de origen fúngico principalmente. La mayoría de las enzimas purificadas
pierden actividad rápidamente encima de los 50ºC pero ésta inactivación puede ser retarda por la presencia
de calcio.
Con la presencia de calcio son completamente resistentes a los extremos de temperatura, pH, tratamiento
con urea o exposición a proteasas (pepsina, tripsina subtilisina y papanina)
La α-amilasa de Bacillus subtilis requiere por lo menos cuatro átomos-gramos de calcio por mol de
enzima
II. MÉTODOS PARA LA SACARIFICACIÓN DE MATERIALES AMILÁCEOS
Los métodos para sacarificar materiales amiláceos implica el uso de preparaciones enzimáticas, ácidos
diluidos, o una combinación de ambos. Entre las preparaciones enzimáticas que se pueden emplear se
incluye:
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1. malta, de origen cereal, y
2. Otras de origen microbiológicos, productos derivados de mohos. Mohos usados: de 27 razas de
mohos de los géneros Aspergillus, Mucor, Penicillium, y Rhizopus. Los mejores en la sacarificación
de masas de maíz en rendimientos de etanol fueron: A. oryzae, R. delemar, R. oryzae.
BACTERIAS SACAROLÍTICAS
Son bacterias que hidrolizan los disacáridos o polisacáridos a carbohidratos más sencillos. Un número
limitado de bacterias amilolíticas, es decir elaboran amilasa que determina la hidrólisis extracelular del
almidón, entre ella se encuentran Bacillus subtilis y Clostridium butyricum. Unos pocos microorganismos
son capaces de hidrolizar la celulosa. Ciertas especies de Clostridium se clasifican como proteolíticas que
pueden o no atacar a los azúcares o como sacarolíticas que atacan a los carbohidratos pero no a las proteínas.
Clostridium lentoputrescens es proteolítico, pero ordinariamente no ataca a los carbohidratos; en cambio
Clostridium butyricum fermenta los azúcares y no es proteolítico.
SACARIFICACIÓN Y FERMENTACIÓN SIMULTÁNEAS
En la actualidad el proceso de sacarificación y fermentación se realiza simultáneamente y se conoce como
SSF, el proceso en donde se realizaban las etapas anteriores de manera independiente se llama SHF y tiene
las siguientes condiciones de operación: : licuefacción (T 83°C, pH 5.5, dosis de enzima 0.5 ml/l Liquozyme
(a amilasa), agitación 400 rpm); sacarificación (T 60° C, pH 4.5, dosis de enzima 1.5 ml/l Spirizyme fuel
[glucoamilasa], agitación 400 rpm); fermentación alcohólica (T 30° C, pH 4.5, inoculo de saccharomyces
cerevisiae 8 g/l en peso seco, agitación 400 rpm).
Según Castaño Hader y Mejía Carlos el proceso de SSF se debe realizar bajo las siguientes condiciones de
operación: la etapa previa de licuefacción se realiza en las mismas condiciones de operación descritas
previamente para el proceso de SHF; temperatura 30 °C, pH 4.5, concentración de azúcares reductores según
diseño de experimentos, dosis de enzima Spirizyme fuel según diseño de experimentos, inoculó 8.0 g/l peso
seco de levadura Saccharomyces cerevisiae (0.8% p/v) y agitación 400 rpm.
1. .-USOS
En la industria de la cerveza como materia prima principal; como agente sacarificante, en la
fabricación del alcohol industrial y de licores destilados a partir de cereales como el trigo, maíz y
centeno.
En la fabricación de leches malteadas, confitería, harinas malteadas y como alimento.
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El salvado enmohecido, se obtiene por crecimiento de Aspergillus oryzae sobre salvado esterilizado
y húmedo. Underkofler, Fulmer y Schoene (1939) demostraron con métodos de laboratorio que se
pueden obtener mayores rendimientos de etanol, utilizando salvado enmohecido en vez de malta de
cerveza.
2.-PRODUCCIÓN:
Método de tambor:
Cultivo de esporas se preparan en frascos con el fin de servir para la inoculación del salvado esterilizado y
húmedo en los tambores.
Método de marmita :
Es mejor en los aspectos: menor espacio, menos complicado, el micelio del moho no es perturbado durante el
crecimiento, aireación uniforme, el moho crece más rápido y el salvado en mohecido es consistente, se
obtiene mayor rendimiento de etanol.
Método en bandeja:
El salvado con agua se extiende en bandejas de aluminio y se esteriliza a vapor con presión, se enfría e
inocula con A. oryzae y se incuba. Se destruyen las esporas adicionando alcohol al 95% y se elimina el
extracto alcohólico con una prensa hidráulica.
Producción de amilasas de mohos por cultivo sumergido:
Se fabrican con el fin de usarlos como sucedáneos de la malta o suplemento en la conversión de granos. La
producción implica el crecimiento de una raza de moho con la capacidad amilasica, en un medio adecuado y
en condiciones reguladas de temperatura, pH, y aireación.
2.1. OBTENCION DE BIOETANOL:
Tratamiento de la materia prima:
El proceso permite el tratamiento de una gran variedad de cosechas agrícolas, algunas de las más
importantes: trigo, cebada, maíz, patatas, mandioca, azucares, y productos provenientes de mezclas húmedas
orgánicas industriales.
Licuefacción y Sacarificación:
En la etapa de licuefacción actúan enzimas bajo unas determinadas condiciones de temperatura, presión y
pH. Estos parámetros se optimizan en función de la materia primera aportada.
En la etapa de sacarificación el sustrato de la licuefacción es transformado en parte en glucosa,
posteriormente el sustrato generado en la sacarificación es conducido a la fermentación.
Los rendimientos del sistema son altos y ofrecen un consumo óptimo de energía.
Fermentación:
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En el estadio de fermentación la glucosa es transformada en alcohol.
2.2. OBTENCION DEL ALCOHOL:
Almacén de materias primas
La materia prima será transportada hasta la planta por medio de camiones y de remolques agrícolas.
Molienda
El proceso de molienda es el de molienda seca; está caracterizada por la división brusca del cereal,
seguida de un calentamiento y licuefacción en agua caliente.
Conversión Y Sacarificación Del Almidón
Harina se mezcla con el agua de proceso, vapor condensado en el proceso de evaporación, se calienta a
75 ºC y se corrige el pH añadiendo enzimas hidrolizantes (amilasa) que rompen los enlaces de almidón.
dos horas se pasa a la fase de sacarificación disminuyendo la temperatura a 60 ºC e incorporando una
enzima (amiloglucosidasa).
Se corrige de nuevo el pH mediante la adición del H2SO4. Transcurridas Ocho horas el mosto obtenido
se enfría a 30-35 ºC y se procede a su fermentación. El proceso se efectúa en tanques de acero
inoxidable, con agitadores y calorifugados
Fermentación
El mosto enfriado proveniente de la sacarificación, se introduce en tanques para su fermentación
mediante la adición de levaduras específicas. Primero vamos a llevar el mosto a un prefermentador en el
que permanecerá unos 17 minutos. Es necesario añadir al mosto inoculado elementos nutrientes
(proteínas) para favorecer el crecimiento de las levaduras así como airearlos, y la temperatura debe ser
mantenida por debajo de los 32ºC por lo que los tanques deberán ir provistos de equipos refrigerantes
exteriores.
2.3. SACARIFICACION DE LA MADERA:
La conversión de materiales celulósicos en azúcar parece a primera vista constituir una simple
disociación hidrolítica de los enlaces de los glucósidos. Según esto debería esperarse una reacción
simple, con reducido gasto para la fábrica que a ello se dedique.
En la realidad, sin embargo, la celulosa es un polisacárido único entre todos los conocidos y posee una
extremada resistencia a la hidrólisis. Los enlaces de los glucósidos se disocian fácilmente, pero la
estructura cristalina de la celulosa da por resultado una baja accesibilidad para el ácido diluido que de
ordinario se emplea como catalizador.
En consecuencia, la temperatura y concentración del ácido necesarias para conseguir la reacción en un
tiempo razonable ocasiona una grave descomposición de los azúcares resultantes.
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PREPARACIÓN DE LA MALTA
La producción de malta de cereales, en especial cebada, es el primer paso en la elaboración de cerveza. Es
posible producir malta de otros granos pero, por varias razones, la cebada ha probado ser el cereal más
adecuado para la elaboración de malta cervecera. Sus requerimientos son muy específicos y debe cumplir
con especificaciones de color, nivel de proteínas, nivel de enzimas, variedad de cebada utilizada, por
nombrar algunas de ellas.
No cualquier cebada puede ser utilizada para hacer malta cervecera. La calidad de la cebada que llega a la
planta, los tiempos de remojo, germinación, secado y tostado, temperaturas, humedad, entre otros, son
algunos de los muchos parámetros que son controlados de principio a fin durante la producción de cada tipo
de malta. Brown Ales, Ales Oscuras, Ales Irlandesas, Escocesas, Porters, Stouts, Cervezas de Trigo, Lagers
de Viena, Märzen, Oktoberfest, Pilsen, Bocks, cualquiera sea la variedad de cerveza que se desee producir,
todas necesitan de maltas especiales. Éstas imparten cuerpo, palatabilidad, estabilidad de espuma, entre otras
cualidades. Sabores a nueces tostadas, almendras, toffee, café, frutas secas, etc.
Los granos de cebada, no contienen azúcares fermentables. Por lo tanto el almidón de los granos debe ser
SACARIFICADO antes de su fermentación por las levaduras.
LA MALTERIA
El malteado consiste en hacer germinar la cebada, (Cereal imprescindible en la elaboración de la cerveza) y
también desecarlos y tostarlos en condiciones tecnológicamente adecuadas.
El malteado corresponde a las primeras etapas de la germinación y su objetivo es la germinación controlada
del grano de cebada mediante la cual se producen enzimas –amilasas, β-glucanasas y proteasas- que sirven
para hidrolizar materiales de reserva del grano. Los granos de cebada, no contienen azúcares fermentables.
Por lo tanto el almidón de los granos debe ser SACARIFICADO antes de su fermentación por las levaduras.
El malteado comienza empapando la cebada en agua durante 2 días a 10-16ºC, para aumentar su contenido
en agua hasta un 45%. Después del empapado, la cebada se germina parcialmente durante 3-5 días bajo
condiciones controladas de temperatura (16-19ºC) y aireación que ayudan a la respiración del grano y evitan
que se acumule el calor.
Secar o tostar dependiendo del tipo de malta que se desee. Si queremos elaborar una cerveza negra
utilizaremos la cebada germinada y muy tostada, pero si queremos una cerveza clara similar a una cerveza
comercial (Tipo pilsen) la germinamos, secamos y no tostamos.
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La malta de cebada es la cebada que ha germinado y ha sido tostada en un proceso que suele denominarse
“malteado”.
Figura1. Diferentes tipos de Malta
CONSIDERACIONES PARA LA ELECCIÓN DEL CEREAL
En principio, cualquier grano puede ser malteado. La elección, sin embargo, tiene en cuenta entre otros
factores, el poder diastásico y el valor económico de cada cereal. Entre los de mayor potencia diastásica
están en el orden: la cebada, el centeno, el trigo, la avena, el maíz y el arroz.
PODER GERMINATIVO
Se calcula por el número de semillas que germinan en un total de 100, en condiciones favorables, en un
período de tiempo, generalmente 2-5 días. La germinación no debería ser inferior al 95%, porque da lugar a
la baja actividad de la enzima de malta como granos sin germinar o también por focos de infección pueden
albergar
POTENCIAL DE GERMINACIÓN
El potencial de germinación viene con el porcentaje de semillas que germinan en 72 horas. Es directamente
proporcional a la actividad enzimática del grano y es del orden de 65% a 85%.
OTRAS CONSIDERACIONES
El agua. Debe ser potable. Se dice que para elaborar 100litros de cerveza se consume 1000 litros de agua. En
general, se puede caracterizar el agua ideal para la elaboración de la cerveza un pH entre 6.5 y 7.0
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El pH. Si es alcalino, puede disolver grandes cantidades de materiales indeseables de la corteza y la malta.
La reacción del ácido es necesaria para la máxima actividad de las enzimas amilasa y la proteasa. El
carbonato de calcio reduce la acidez
ETAPAS DEL PROCESO
Durante el acondicionamiento previo se trata de obtener un lote (batch) de cebada lo más homogéneo
posible.
Para esto:
Se almacena separada por: variedad, proteína y zona de origen, manteniendo siempre intacto su
“vigor” germinativo.
Se pre-limpia y se clasifica por tamaño del grano.
A) RECEPCIÓN, LIMPIEZA Y CLASIFICACIÓN: La cebada que cumple con los requisitos mínimos
de calidad para ser catalogada como apta para el malteo, se recepciona y se limpia en varias etapas, las cuales
consisten en eliminar todo aquello que no sea cereal. Esto incluye, por ejemplo, fragmentos de tallos, sacos,
pedazos de madera, tornillos, cables, piedras, otros granos, granos partidos, etc. Desde luego esta operación
no puede ser realizada con una sola máquina, por ello la limpieza de la cebada comprende a varias de ellas y
elementos conectados en serie. Finalizado el proceso de limpieza, la cebada se clasifica de acuerdo al tamaño
del grano, siendo los granos más grandes los utilizados en el proceso de malteado. Para este fin se utilizan
tamices de diferentes tamaños. Una vez limpia y clasificada, la cebada se almacena en silos acondicionados,
con ventilación, temperaturas y humedad adecuadas para que el grano se mantenga viable y pueda ser
utilizado en el proceso de malteo.
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Figura 2. Clasificación.
B) REMOJO: En la cebada tal cual, las enzimas necesarias para el malteado tienen una actividad muy
reducida, se hallan aún inactivas e incluso algunas son inexistentes. Durante el remojo, el agua ingresa al
interior del grano y como resultado las enzimas se activan y el proceso germinativo empieza. Mientras
transcurre la germinación del grano de cebada, los procesos respiratorios aumentan, así como la necesidad de
oxígeno. Es por esto que, para iniciar el proceso lo más rápido posible, se debe proveer a la cebada con las
cantidades adecuadas de agua y oxígeno durante el remojo. Sus objetivos son:
Lavar el grano de cebada.
Hidratar en forma uniforme al embrión (organismo vivo) y al endosperma (sustancia de reserva),
para que la humedad aumente de 11-13% a 35-42% y pueda comenzar la germinación.
Como todo organismo vivo, la cebada necesita oxígeno, para la obtención de energía para su
crecimiento. Además, todo proceso de respiración conlleva a la producción de CO 2 (g), que debe ser
eliminado para que el grano no se “ahogue”. Por ello, es que se realizan las actividades de aireación
en la etapa de agua y de aspiración de CO2 (g), en la etapa de “descanso” o de aire.
Figura 2. Remojo de las semillas.
C) GERMINACIÓN: Sus objetivos son:
Formar y activar enzimas, pues el embrión necesita nutrientes para su crecimiento. Tal como éstos se
encuentran en el endosperma (insolubles y de alto peso molecular) no pueden ser utilizados, por lo
que deben ser “digeridos” para poder ser absorbidos. Para ello se utilizan las enzimas, que son
“catalizadores” de las reacciones de descomposición o de solubilización.
Producir sustancias solubles, básicamente las proteínas se descomponen en aminoácidos, las
hemicelulosas (paredes de las células de almidón) en betaglucanos de bajo PM y parte del almidón
(sólo 8 a 10%) en azúcares más simples. Durante el proceso germinativo, se produce una planta de
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cebada por cada grano. Para formar esta planta, el grano necesita una gran cantidad de energía y
materiales necesarios para la formación de tejidos, los cuales son formados como consecuencia de la
respiración y otros procesos metabólicos.
Al comenzar el proceso de malteado, los contenidos del endospermo (interior del grano) se
encuentran en forma estable. Estas sustancias, de elevado peso molecular, deben ser degradadas a
subproductos que estén formados de moléculas más pequeñas. Las enzimas que se forman durante la
germinación son las encargadas de realizar esto. La producción de enzimas es el propósito
primordial del malteado. Éstas son absolutamente necesarias para degradar las moléculas de elevado
peso molecular durante el proceso de elaboración de cerveza. Para minimizar pérdidas, los procesos
enzimáticos innecesarios son restringidos durante el malteado.
Figura 3. Germinación de la cebada.
D) SECADO: Primero se seca a 50-60ºC hasta reducir la humedad al 12%, luego se somete a temperaturas
de 80-110ºC hasta un 1-5% de humedad. Durante el secado, además de disminuir el contenido de agua, la
germinación y la modificación del grano se detienen y se forman componentes de aroma y color. Se
encuentran entre sus objetivos:
Interrumpir los procesos físico-químicos y biológicos, Inhibe la actividad enzimática
Producir un aroma y paladar característico de la malta.
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Figura 4. Diagrama de Flujo de Maltería
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