Microbiologia Industrial FERMENTACIONES - Alicia
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ì
ALICIA HERNANDEZ C O L A B O R A D O R E S
ILEANA ALFARO Y RONALD ARRIETA
CONTENIDO
Prólogo ....................................................................................................................................
ix
P r e s e n t a c ió n ......................................................................................................................................................
xi
GENERALIDADES
Objetivos ....................................................................................................................................
2
ANTCÇB3ENT1S HjglpRlCO S
3
...........
, .................
Louis Pasteur y sus investigaciones ........................................................................... La era después de Pasteur ............................................................................................
i 4 5
Las levaduras................................................................................................................... Los mohos .......................................................................................................................
7 g
1-a* hartonas
8
La era antes de Pasteur ..................................................................................................
.......................................................................................................................................
Ejercicios de autoevaluación .................................................................................... Fuentes y lecturas recomendadas ................................................
9 11
Catxiutoi: EL MANEIO DE LOS CULTIVOS M O O B IO IÓ G IC O S
Objetivos ..................................................................................................................
14
IN l-K Q P U C C lÓ N —............................................................................................ •
13
. ■. . *
El aislam ien to de m icroorganism os ..................................................................................
16
Los cultivos puros y los mixtos ...................................................................................
16
Las técnicas para obtener cultivos puros
.................................................................. La siembra en placas de Petri por rayado ................................................................ La siembra en placa vertida .....................................................................................
17 17 17
Las diluciones en serie .............................................................................................
1S
La desecación
...........................
19
La congelación................................................................................................................ La congelación ordinaria ......................................................................................... La congelación ultrafria ........................................................................................... La congelación con nitrógeno líquido ...................................................................... Ul r of i l i zadán. * .
.
.
.
a
.
20 20 20 21
.____ 21
XV
Copyrighted material
La fuente de energía ......................................................................................................
22
La fuente de carbono
...................................................................................................
22
La fuente de nitrógeno .................................................................................................. Las fuentes de otros elementos ...................................................................................
23 2á
LOS REQUERIMIENTOS AMBIENTALES .....................................................................................
24
La preparación pe medios de cultivo ............................................................................. Los tipos de medios de cu ltiv o s................................................................................... El medio sintético ......................................................................................................
25 25 25
El medie complejo ....................................................................................................
25
La formulación áe medios de cultivo
- .....................................................
U.£REFAKAa(>N.D£LiMX:ULQ-.^..,..^^x...^^., ^ ^ . . . . Las etapas para preparar el inoculo .......................................................................... La recuperación de la cepa .......................................................................................
26 2Z 27 27
El crecimiento en un medie de cultivo sólido ..........................................................____ 28 El crecimiento en un medio de cultivo liquido ....................................................... 28 Los aspectos por considerar en la preparación del in ó cu lo .................................... 28 La cantidad de inóculo ............................................................................................. 2& La concentración de microorganismos...................................................................... 28 Ejercicios de autoevaluación ...................................................................................................... 31 Fuentes y lecturas recomendadas ..............................................................................................
33
Guxtub3: LAS FERMENTACIONES UÜfCltVOS . . . ♦ • * .......................................................................................................................
36 37
El concepto bioquímico de fermentación .................................................................. El concepto microbiológico de fermentación ........................................................... I a r i asificactO n df. i ¡ns procesos df ffrmfntA< TQm ......................................................
37
Los productos finales de la fermentación ..................................................................
39
El oxígeno en el proceso de fermentación ..................................................................
39
..............................................................
40
Laglucólisis ..................................................................................................................... F1 rielo de Krebs ............................................................................................................
40
Los fh rm fn tad o rrs ....................................................................................................................
42
El matraz erlenmeyer ................................................................................................... El reactor de tanque agitado ....................................................................................... El sistema de agitación ............................................................................................. Las placas deflectoras ............................................................................................... Los dispositivos de adición, extracción v control ..................................................... El sistema de aireación ............................................................................................. Los sistemas de transferencia de calor ...................................................................... El reactor d e elev ación con aire
43
45 45 45 45 46
El reactor de d isco rotatorio .........................................................................................
46
Las
rutas bioquímicas de las fermentaciones
38
41
43 44
.........................................................................................................
47
La curva de crecimiento de un microorganismo ..................................................... La fase de latericia .................................................................................................... La fase logarítmica o exponencial ............................................................................
47
LOS SISTEMAS DF. FERMENTACIÓN
XVI
38
47 47
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La fast’ estacionaria
48
El efecto de la concentración del sustrato sobre la velocidad de crecimiento . . .
48
Algunos términos relacionados con la ecuación de Monod .................................... La ecuación de Monod ............................................................................................. El cultivo en lote ............................................................................................................ El cultivo continuo ........................................................................................................ El quimiostato .......................................................................................................... El turbidostato .......................................................................................................... El sistema de flujo tapón ......................................................................................... Las ventajas y las desventajas del cultivo continuo en relación con el cultivo en lote ................................................................................ I A RFCI TPFRAClO V Y 1A Pl FRIFIC A n ^ V I OS PROni IfTTK ................... ..............
48 49
53 53
La separación liquido-sólido ....................................................................................... La filtración .............................................................................................................. La centrifugación ...................................................................................................... La floculación y la flotación .....................................................................................
54 54 55 56
La desintegración celular ............................................................................................. La extracción líquido-líquido ....................................................................................... La cristalización..............................................................................................................
56 56 57
La cromatografía ............................................................................................................
57
Ejercicios de autoem luación ......................................................................................................
59
fuentes y lecturas recomendadas...............................................................................................
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cuítalo 4: LOS PRODUCTOS LÁCTEOS Objetivos ...................................................................................................................................
64
In tr o d u c c ió n ...............................................................................................................................
65
ElYOGUR .................................................................................................................................
66
Definición ....................................................................................................................... Historia ........................................................................................................................... Los tipos de yogur ........................................................................................................
66 67 67
El proceso de elaboración del vogur batido ............................................................. La ntaieria prinui ...................................................................................................... La estandarización .................................................................................................... La homogeneización ................................................................................................. La pasteurización ...................................................................................................... El enfriamiento pospasteurización .......................................................................... La inoculación y la fermentación ............................................................................ El enfriamiento posfermentación ............................................................................ La agitación y la adición defrutas .......................................................................... El em paque ................................................................................................................ El proceso de elaboración de yogur firme ................................................................
68 68 68 69 69 70 70 70 71 71 71
La producción de "yogur" en forma casera ............................................................. La microbiología y la bioquímica de la fermentación del yogur ......................... Aspectos nutricionales del yogur ..............................................................................
71 72 73
............................................................................................................................. Las características del queso .......................................................................................
74 74
LOSOUtSOS
50 50 51 52 52
_______ XVII
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Los tipos de q u e so s.................................
74
El proceso general de elaboración de quesos ............................................................ La materia prima y la estandarización .................................................................... La pasteurización ...................................................................................................... La inoculación y ¡a fermentación ............................................................................. La coagulación .......................................................................................................... El desuerado o escurrimiento ................................................................................... El moldeo y el prensado ........................................................................................... El salado ................................................................................................................... La maduración ..........................................................................................................
75 75 76 76 77 77 78 78 78
L a n a t i l l a ...............................................................................................................................
80
Definición
.......................................................................................................................
§0
El proceso de elaboración de la natilla ...................................................................... La materia prima y la estandarización .................................................................... La homogeneización .................................................................................................. La pasteurización ...................................................................................................... La inoculación y la fermentación ............................................................................. El enfriam iento .......................................................................................................... El em paque .................................................................................................................
80 80 80 80 81 81 81
El suero de queso .................................................................................................................
81
Los PROB1ÓT1COS ..................................................................................................................... Las ventajas del uso de los productos probióticos ...................................................
82 82
Los requisitos de los microorganismos probióticos .................................................
83
Ejercicios de autoew luaáón ...................................................................................................... Fuentes y lecturas recomendadas .............................................................................................
85 87
úpjhifa 5 LOS EMBUTIDOS FERMENTADOS
Objetivos ....................................................................................................................................
90
INTRODUCCIÓN..........................................................................................................................
21
LOS EMBUTIDOS FERMENTADOS .......................................................................
92
El PROCESO GENERAL DE ELABORACIÓN DE UN EMBUTIDO FERMENTADO ........................
22
La selección de la carne y la grasa ...................................................................................
94
La co n g elació n .......................................................................................................................
94
El picado de las materias primas .....................................................................................
94
La adición de otros ingredientes .....................................................................................
95
La adición del cultivo iniciador .......................................................................................
95
El embutido.
^ .^ .
96
.......................................................................................
96
..................................................................... . .......................................................
22
LA MICROBIOLOGÍA Y LA BIOQUÍMICA PE LA FERMENTACIÓN DE EMBUTIDOS ....................
97
^
^ ^
La fermentación y el ahumado El secado
El proceso de fermentación de los embutidos
............................................................
97
Los microorganismos involucrados en el proceso de fermentación de los embutidos ........................................................
98
El .desarrollo del color e n lo s em bu tid os.,
«
Los ERQCESQS ESPECIFICOS D£BJiBÜlL\QÚN±)E DOS
______ «....».........____
IDO lili
El salami duro ............................................................................. ., .........................« . . , ,......... 101 El peppenm i............................................................................................................................. 102
XVIII
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Ejercicios de autoevaluación . .. Fuentes y lecturas recomendadas
103 105
CwMot: LAS BEBIDAS ALCOHÓLICAS In tro d u c c ió n ...............................................................................................................................
109
F1 alcohol Phlirn nn es solo una bebida
109
Los tipos de bebidas alcohólicas ................................................................................ Los microorganismos termentadores ........................................................................
110
La CERVEZA ...................................................................................................................................
113
Las materias primas ...................................................................................................... La malta .................................................................................................................... Los adjuntos .............................................................................................................. El lúpulo .................................................................................................................. La levadura .............................................................................................................. El a g u a ....................................................................................................................... El proceso de elaboración de la cerveza .................................................................... La molienda de la malta ........................................................................................... La macerarían .......................................................................................................... La filtración ..............................................................................................................
114
112
115 116 116 117 117 118 118 119 120
_ J2 1 La separación de precipitados (Whirlpool) ............................................................... 122 El enfriamiento del mosto ......................................................................................... 122
La aireación del mosto y la inoculación de la levadura .......................................... La fermentación ........................................................................................................ La separación de la levadura ..................................................................................... La maduración .......................................................................................................... La filtración y la carbomtación de la cerveza ......................................................... El llenado y la pasteurización .................................................................................. El deterioro de la cerveza ............................................................................................. El deterioro microbiológico ................................................................................ El deterioro químico .............................................................................................
122 123 125 125 126 128 128 128 129 129
Los últimos desarrollos tecnológicos..........................................................................
129
En nuestro país ..............................................................................................................
130
El vino
...................................................................................................................................
130
Las materias prim as........................................................................................................ La uva ....................................................................................................................... La levadura .............................................................................................................. El proceso de elaboración del vino ............................................................................. La vendimia .............................................................................................................. La eliminación de ¡os tallos y las ramas. Trituración ................................. El prensado déla uva ................................................................................................ El tratamiento del mosto de uva .............................................................................. La fermentación ........................................................................................................ El trasiego del v in o ....................................................................................................
132 132 134 135 135 136 137 13Z 139 143
La maduración de los mim
. . . . . . . ___ 1M
________ XIX
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La clarificación y la filtración ................................................................................... El embotellado .......................................................................................................... Otros vinos ..................................................................................................................... Los vinos de postre .................................................................................................... Los vinos espum osos.................................................................................................. Los defectos y las enfermedades del v in o .................................................................. En nuestro país ...............................................................................................................
144 145
Ejercicios de autoei p -*■ se lava el reacto r Para no correr el riesgo de que el reactor se la ve, es recomendable que el valor del factor de dilución no solo sea menor que la velocidad específica de crecimiento, sino que no alcance valores muy cercanos a ella.
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Al sistema se le denomina quimiostato, por que la velocidad de crecimiento del microor ganismo depende de factores químicos (de la disponibilidad de un compuesto en el medio). Este es el sistema de cultivo continuo más em pleado, pues permite controlar el crecimiento del microorganismo y, por lo tanto, manipular la producción de biomasa o de los metabolitos de interés.
El turbidostato En el turbidostato, el crecimiento no está limi tado por ninguno de los nutrimentos; por el contrario, todos se agregan en exceso. El con trol se ejerce con base en la turbidez que provo ca la presencia de microorganismos en el me dio de cultivo: entre mayor sea la población de microorganismos, mayor es la turbidez. Para desarrollar este sistema de control, se co loca una fotocelda en el reactor, que detecta el grado de turbidez del caldo de fermentación: cuando el sistema detecta un aumento en la concentración de la biomasa por encima del lí mite superior (valor de turbidez mayor que el límite superior), se activa una señal que accio na las bombas de entrada del medio de culti vo y salida del caldo de fermentación. El sis tema de bombeo se apaga cuando el valor de turbidez cae por debajo del límite inferior es tablecido. El procedimiento se resume a con tinuación. Primero, se determina, en forma experimen tal,g la relación entre la concentración celular y é la turbidez (revisar los métodos de determina ción de la concentración celular expuestos en la sección La prefiaracióii del inoculo del Capítu lo 2 de este texto). Luego, se compara la tur bidez con la producción de metabolitos o de biomasa, según sea el caso. Por último, se de fine un intervalo de valores (concentraciones de microorganismos en el caldo) dentro del
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cual el sistema de fermentación produce la cantidad de sustancia de interés deseada, y se ajustan los detectores de turbidez con los va lores (máximo y mínimo) permitidos. Una ventaja de este sistema respecto al qui miostato es que el microorganismo sí se pue de desarrollar a su velocidad máxima de cre cimiento y, por lo tanto, es muy útil cuando no es posible controlar la concentración de los nutrimentos, como en el caso de la degrada ción de desechos. Una de las desventajas del turbidostato es que se requiere un aparato de control complejo (fotoceldas y sistema de bombeo) para mantener el estado estaciona rio. Además, puede haber alteración en la de tección que realizan las fotoceldas, por acu mulación celular cerca de ellas y por la pre sencia de las burbujas de oxígeno.
El sistema de flujo tapón En el sistema de flujo tapón, el medio de culti vo y el inoculo entran a un reactor de tipo tu bular a una velocidad de flujo constante. Du rante la permanencia de los microorganismos en el reactor, se lleva a cabo el proceso de fer mentación. En este sistema, a diferencia de los anteriores, la solución de entrada contiene cé lulas, por lo que hay variaciones de la concen tración de las células, del medio de cultivo y los metabolitos en las distintas partes del reac tor. Al igual que en cualquier proceso de fer mentación, ya sea por lotes o continuo, es im portante conocer la curva de crecimiento del microorganismo, porque la pérdida de células en el fluido que sale del reactor debe estar ba lanceada por el crecimiento del microorganis mo. Si la velocidad del flujo de salida del cal do de fermentación es mayor que la velocidad específica de crecimiento, el reactor se lavará y no habrá síntesis de metabolitos. El Diagrama 3.7 muestra un reactor de flujo tapón.
M ic r o b io lo g ía in d u s t r ia l
t A lic ia H ern án dez
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Salida del producto + (microorganismos y metabolites eie interés)
Entrada del medio
de cultivo
------ 1
Las principales desventajas del cultivo conti nuo, en relación con el cultivo en lote, son: •
Es difícil mantener las condiciones estéri les en el fermentador por periodos prolon gados.
•
En ocasiones, se presentan mutaciones en la cepa original y, entonces, el mutante puede crecer más rápido que la cepa de la cual procede.
•
Cualquier falla en el equipo, aunque sea momentánea, puede desestabilizar el pro ceso y echar a perder la elaboración del
y los microrganismos D ia g r a m a 3 7 : Un reactor de flujo tapón.
compuesto de interés.
Las ventajas y las desventajas del cultivo continuo en relación con el cultivo en lote Las principales ventajas del cultivo continuo, en relación con el cultivo en lote, son: •
Es posible controlar la velocidad específi ca de crecimiento del microorganismo (dentro de sus límites metabólicos).
•
Se puede estudiar el efecto de algún pará metro (por ejemplo, el efecto de limitación de uno de los sustratos) sobre la actividad metabòlica del microorganismo.
•
El crecimiento del microorganismo se puede realizar en las condiciones óptimas.
•
Se elimina la fase de latencia, por lo que se reduce el tiempo real de producción del compuesto de interés.
•
Se aumenta la productividad por unidad de tiempo, ya que se elimina el tiempo empleado en la esterilización del medio así como en la limpieza y la preparación del reactor. El tiempo requerido para el arranque del equipo (limpieza, esteriliza ción y carga del equipo) se conoce como "tiempo muerto".
cXrtii.ro 3:
LAS FERMENTACIONES
La recuperación Y LA PURIFICACIÓN DE LOS PRODUCTOS Las etapas de recuperación y purificación re presentan una parte muy importante en el proceso de obtención del compuesto de inte rés; se desea recuperar el máximo de produc to, en el mínimo tiempo, con el mayor grado de pureza y al mínimo costo. Cliffe (1996) re porta que estas etapas pueden representar el 60% de los costos totales de producción, ex cluyendo los costos de materia prima. Si las etapas de recuperación y purificación no se manejan en forma adecuada, los costos pue den aumentar hasta ocasionar que el proceso no sea rentable. Al finalizar la fermentación, el caldo contiene una mezcla de compuestos, tales como: biomasa, restos de sustratos no utilizados por la célula y metabolitos primarios y secundarios. El método empleado para separar y purificar el compuesto deseado se escoge de acuerdo con los siguientes factores: •
El tipo y la estabilidad del producto
•
La concentración del producto
____________ 53
Copyrighted materia!
•
La presencia y la naturaleza de otras sus tancias en el caldo de fermentación
•
El grado de purificación mínimo requerido
•
La localización del producto con respecto de la célula (extracelular o intracelular)
•
El uso que se le va a dar al producto y su precio de venta.
Con base en estos criterios, es más sencillo de finir el camino por seguir para obtener el pro ducto purificado. Algunos de los procedimientos necesarios pa ra recuperar y purificar el producto final son comunes a muchos de los procesos, mientras que otros son específicos. A continuación se describen los más utilizados. En los capítulos posteriores se estudiarán ejemplos concretos de producción, recuperación y purificación de productos. Puede complementar el material sobre procedimientos para recuperación y pu rificación de productos en el libro Las operacio nes de ¡a ingeniería de los alimentos, de Brennan et al. (1980), capítulos 4 , 6 , 7 , 9 y 13.
La separación líquido-sólido La separación líquido-sólido es necesaria cuando la fermentación se lleva a cabo en un medio de cultivo líquido; consiste en separar los sólidos (biomasa celular y compuestos insolubles) del caldo de fermentación. En algu nos casos, el compuesto de interés es el sólido (la biomasa), mientras que, en otros, este se encuentra en el líquido. Se puede realizar por diferentes métodos:
La filtración La filtración es el método de separación de una mezcla líquido-sólido que se emplea con más regularidad; consiste en hacer pasar la mezcla por filtros con poros que retienen las partículas y dejan pasar el líquido. La eficien cia de la filtración depende de: •
El tamaño del microorganismo y su mor fología
•
La presencia de capas mucosas en el mi croorganismo
•
La viscosidad y el pH del caldo de fer mentación.
Dos de los tipos de filtros más utilizados para realizar esta operación son el filtro prensa y el filtro rotatorio al vacío. El filtro prensa es utilizado en los procesos con tinuos y semícontinuos. En este tipo de filtro, se ejerce una presión mayor que la atmosféri ca al bombear el caldo de fermentación dentro del filtro, lo cual produce el flujo de! filtrado a través del sistema. Se alternan placas cubier tas por filtros a ambos lados, con marcos me tálicos, como se muestra en el Diagrama 3.8. Todo el sistema -los filtros, las placas y los marcos- se une por mecanismos hidráulicos. El caldo de fermentación se introduce en un
Marco
• La filtración • La centrifugación • La floculación • La flotación.
*
Filtrado
D iagrama 3.8: El filtro prensa.
54
M i c r o b i o l o g í a i n d u s t r i a l / A lic ia H e r n á n d e z
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canal (en el diagrama se indica como "entrada del caldo de fermentación"), que se forma en las esquinas del sistema, y pasa por los mar cos metálicos; los sólidos quedan retenidos en el filtro, mientras que el filtrado sale por las placas filtrantes. El filtro rotatorio al vacío se emplea principal mente en procesos discontinuos, tales como la recuperación de hongos y bacterias del caldo de fermentación. Está compuesto por un tam bor cilindrico sumergido hasta la mitad en el líquido por separar (también conocido como papilla de alimentación). La superficie del tambor tiene varios compartimentos separa dos por tabiques y está cubierta por un filtro. Cada compartimento se encuentra conectado al eje por medio de una tubería, según se ob serva en el Diagrama 3.9. El tambor gira y, por vacío, empieza el proceso de separación: la papilla ingresa por succión en cada comparti mento, los sólidos quedan retenidos en el filtro y el filtrado se va por las tuberías hacia el cen tro del tambor, donde es recuperado. Des pués, los sólidos son separados del filtro por inyección de aire comprimido en la superficie del mismo y con la ayuda de una cuchilla.
La centrifugación La centrifugación es una operación en la que se separan sustancias por medio de la fuerza centrífuga. El método se basa en la diferencia de densidad entre el sólido y el líquido; tam bién puede utilizarse para separar dos líqui dos con densidades muy distintas. Es más ca ro que la filtración y se utiliza cuando esta úl tima operación es muy lenta. El éxito de su aplicación depende de la diferencia de densi dad entre los sólidos (la biomasa) y el líquido, la viscosidad del líquido y el tamaño de las cé lulas del sólido. Hay una gran variedad de centrífugas; la se lección de una se realiza de acuerdo con el pro ceso específico de recuperación; sin embargo, las que se emplean con mayor frecuencia en los procesos de fermentación son la centrífuga de discos y la centrífuga de filtro o tamiz. La centrífuga de discos se utiliza para procesos de separación a gran escala; está compuesta por una serie de conos metálicos conocidos co mo discos, separados entre sí por espacios muy pequeños. Es de mucha utilidad en la se paración de Equidos de diferente densidad. Durante la centrifugación, los sólidos, o el lí-
Torta
Tabiques de separación Cuchilla
Entrada del caldo de fermentación Salida del filtrado Caldo de fermentación filtrado Tuberías
D iagram a 3 .9 :
CA rtm oJ
El filtro
Caldo de fermentación
ro ta to rio .
LAS FERMENTACIONES
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En la flotación, se introduce un gas en el caldo de fermentación. Las células sólidas se adsor ben en las burbujas y suben a la superficie co mo una capa de espuma; ahí son recolectadas.
La desintegración celular
quido más denso, quedan retenidos en el bor de de los discos y el líquido es eliminado por la parte superior de la centrífuga. El Diagrama 3.10 corresponde a una de estas centrífugas. En la centrífuga de filtro o tamiz la separación se produce cuando el caldo de fermentación es forzado contra un material filtrante y, por la acción de la fuerza centrífuga, el líquido pasa a través de los filtros y los sólidos quedan re tenidos en ellos.
La floculación y la flotación La floculación y la flotación son métodos de separación de una mezcla líquido-sólido em pleados con menos frecuencia que los dos an teriores; generalmente, se aplican para au mentar la eficiencia en la filtración o en la cen trifugación. La floculación consiste en una separación de los sólidos por agregación y sedimentación. El proceso se puede llevar a cabo calentando la suspensión o adicionando sustancias quí micas que actúan como agentes floculantes; así, las células forman aglomerados que sedi mentan. Este método es útil cuando las célu las son muy pequeñas y no es posible su sepa ración mediante centrifugación o filtración.
56
Esta etapa es imprescindible cuando el mi croorganismo no excreta el metaboíito de inte rés al caldo de fermentación. Consiste en romper la pared y la membrana celular del microorganismo. El método por escoger va a depender de cuán fuerte es la pared celular; por ejemplo, las bacterias Gram positivas y las levaduras son mucho más difíciles de romper que las bacterias Gram negativas o los hongos filamentosos. La desintegración celular se puede llevar a cabo por métodos físicos, quí micos o biológicos; sin embargo, los más utili zados son los físicos. El daño mecánico a la pa red celular de los microorganismos es uno de los métodos más comunes y se puede ejecutar con un molino de bolas. El principio de su funcionamiento radica en romper las células por efecto de la fricción que sufren al ser so metidas a altas velocidades de mezclado, en presencia de bolas de diferentes materiales (vidrio, cerámica u otros). La hontogeneización también es utilizada v consiste en someter la biomasa a altas presiones, provocando "fuer zas de corte" que rompen las células y liberan los compuestos contenidos en ellas.
La extracción líquido-líquido La extracción líquido-líquido es la operación en la que una sustancia disuelta en una fase lí quida (disolvente original) es transferida a otra fase también líquida (segundo disolven te). Para que la operación sea exitosa, los di solventes deben ser insolubles entre sí y la sus tancia de interés debe ser más soluble en el se
M i c r o b k h o c í a i n d u s t r i a i / A l ic ia H e r n á n d e z
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gundo disolvente que en el original. Esta ope ración se puede aplicar cuando el compuesto de interés se encuentra disuelto en el caldo de fermentación. Para aplicar el procedimiento, es básico conocer las propiedades de solubili dad del metabolito. También es factible variar algunas condiciones fisicoquímicas para mo dificar la solubilidad del compuesto; por ejem plo, si se varía el pH de la disolución, la solu bilidad del compuesto en un solvente orgáni co puede variar también. La recuperación del producto se hace revirtiendo las propiedades de solubilidad o evaporando el solvente. Al gunos solventes utilizados son: acetona, ésteres, butanol y reguladores de pH (buffers).
La cristalización La cristalización, como su nombre lo indica, es la formación de cristales en un líquido. Es muy utilizada para la purificación de los metabolitos obtenidos en los procesos de fermen tación. La cristalización se puede llevar a ca bo por enfriamiento, por evaporación o por adición de una tercera sustancia (compuesto químico) que provoca la precipitación del compuesto de interés, o que disminuye su so lubilidad. Este proceso se aplica cuando los productos requieren altos grados de pureza. La cristalización se utiliza en la recuperación del ácido cítrico y de algunos aminoácidos.
O í/ U o í:
LAS FERMENTACIONES
La cromatografía La cromatografía es una técnica de separación de sustancias en un soporte (puede ser una columna) que contiene una fase estacionaria. Los componentes de una mezcla se transpor tan a través de la fase estacionaria por medio de una fase móvil que fluye. La separación se basa en las diferencias de velocidad de migra ción entre los componentes de la mezcla. Los componentes deben ser solubles en la fase móvil y deben ser capaces de interaccíonar con la fase estacionaria, ya sea disolviéndose, adsorbiéndose o reaccionando con ella. La cromatografía es de los procesos más caros y sirve para purificar compuestos metabólicos que se encuentran en una concentración muy pequeña. Se emplea para la separación de compuestos utilizados en la industria farma céutica y también en investigaciones. Las téc nicas cromatográficas se pueden clasificar, se gún el mecanismo de separación, en: croma tografía de adsorción, de intercambio iónico, de filtración en gel y de afinidad. Para ampliar el tema sobre las diferentes téc nicas de separación cromatogràfica puede es tudiar el Capítulo 24 del libro Análisis instru mental (Skoog y West, 1987).
___________57
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EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIÓN
1. Comente las diferencias, en relación con el concepto de fermentación, entre los puntos de vista bioquímico y microbiología). 2. Refiérase a las formas más comunes de clasificación de los procesos fer mentativos. 3. Cite algunos productos de interés industrial obtenidos por fermenta ción. 4. Explique las rutas bioquímicas más utilizadas para producir metabolitos, a partir de las sustancias orgánicas, en un proceso de fermentación. 5. Respecto a un fermentador: a) Explique en qué consiste. b)
Mencione cinco características que debe poseer.
6. Mencione los tipos de reactores más utilizados. 7. Explique brevemente en qué consisten los procesos de cultivo en lote y de cultivo continuo. 8. ¿Por qué es importante conocer, antes de aplicar un sistema de fermen tación, en qué fase de crecimiento del microorganismo se produce el compuesto de interés? 9. Explique las dos técnicas básicas de cultivo continuo. 10. Mencione las ventajas y las desventajas del sistema de cultivo continuo en relación con el cultivo en lote. 11. Mencione las características de los procesos de recuperación y purifi cación del compuesto de interés en una fermentación. 12. Cite los métodos más utilizados de recuperación y purificación de com puestos obtenidos mediante fermentación, y los criterios que se siguen para escoger uno determinado.
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FUENTES Y LECTURAS RECOMENDADAS
BLAKEBROUGH, N. 1967. "Industrial fermentations". Cap. 2. En: Biochemical and
biological ettgineering science. Vol. 1. New York: Academic Press. B ro w n , A. 1990. "Fed-batch and continuous culture". Cap. 5. En: Fermentation:
a practical approach. Oxford: University Press. B u rto n , D. y J. R o u th . 1977. Química orgánica y bioquímica. México: Editorial
Interamericana. Cuffe, K. 1996 a. "Biorreactores". Cap. 14. En: Biotecnología para ingenieros: sis temas biológicos en procesos tecnológicos. México: Editorial Limusa. . 1996 b. "Procesos de línea de salida". Cap. 15. En: Biotecnología para in
genieros: sistemas biológicos en procesos tecnológicos. México: Editorial Limusa. COLE Parmer 2001-2002. Catálogo comercial. U.S.A.: Cole Parmer. Pág. 362. CRUECER, W. Y A. CRUEGER. 1989. Biotecnología: Manual de microbiología industrial.
España: Editorial Acribia. DE ABATE, J. Biología aplicada. 1982. San José: EUNED. G a r c ía , V. 1995. Introducción a ¡a microbiología. San José: EUNED. H u tt, R. 1967. "Recovery of fermentation products". Cap. 7. En: Biochemical
and biological engineering science. Vol. 1. New York: Academic Press. IRVINE, T. 1990. "Laboratory fermenters". Cap. 2. En: Fermentation: a practical
approach. Oxford: University Press. MARISON, I. 19%. "Cinética del crecimiento". Cap. 10. En: Biotecnología para in
genieros: sistemas biológicos en procesos tecnológicos. México: Editorial Limusa. QUINTERO, R. 1993. Ingeniería bioquímica: teoría y aplicaciones. México: Alhambra
Mexicana, Rhodes, A. Y D. F le tc h e r . 1969. Principios de microbiología industrial. España:
Editorial Acribia. STANBURY, P. Y A. W h ita k e r. 1987. Principles of fermentation technology. Great
Britain: Pergamon Press.
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CAPÍTULO 4
LOS PRODUCTOS
S u m a rio
Introducción El yogur los quesos La natilla El suero de queso Los probióticos
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OBJETIVOS
a)
Citar los productos obtenidos por fermentación de la leche.
b)
Describir cada etapa de los procesos de elaboración del yogur, el queso y la natilia.
c)
Explicar la función de los microorganismos que intervienen en la fermentación de la leche, para obtener el yogur, el queso y la natilla.
d)
Describir las condiciones necesarias para que se lleven a cabo los procesos de elaboración del yogur, el queso y la natilia.
e)
Respecto a los productos probióticos:
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•
Definirlos
•
Citar los requisitos que deben poseer
•
Citar las ventajas que le proporcionan al producto fermentado.
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In t r o d u c c ió n La leche es un líquido segregado por las glándulas mamarias de las hembras de los mamíferos; es blanca y opaca, posee un sabor dulce y un pH cercano a 7. Está compuesta por agua, grasa y sólidos no gra sos. Los sólidos no grasos comprenden las proteínas, la lactosa y las cenizas, mientras que los sólidos totales (ST) incluyen el contenido de los sólidos no grasos y de la grasa. La composición promedio de la leche de vaca se observa en el Cuadro 4.1. Cuadro 4.1
LA COMPOSICIÓN PROMEDIO DE LA LECHE DE VACA Constituyente
Variación
Promedio
% p/v
% p/v
Agua
70,00-90,50
87,00
Grasa
2,20-8,00
3,80
Proteínas
2,70-4,80
3,50
Lactosa
3,50-6,00
4,90
Cenizas
0,65-0,90
0,80
Sólidos totales
9,05-19,70
13,00
Sólidos no grasos
6,85-11,70
9,20
Fuente: Adaptado de Revilla (1982).
La leche dentro de la ubre de una vaca sana se encuentra prácticamente estéril; sin embargo, es contaminada por microorganismos en el canal del pezón. El número de microorganismos del líquido au menta sensiblemente durante el ordeño y durante las operaciones de manipulación antes de ser refrigerado. La contaminación microbia na proviene de varias fuentes, entre las que se pueden mencionar: el cuerpo de la vaca, los utensilios y el equipo utilizados para el orde ño, las personas, los insectos y el medio. Todas estas fuentes de con-
G *w u > 4
LOS PRODUCTOS LÁCTEOS
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§fí!5d material
taminación hacen que, en condiciones higiéni cas, la leche cruda posea un contenido prome dio de microorganismos de 10s U FC 7m ¿; si tiene una carga microbiana mayor, se dice que no es apta para el procesamiento. La mayoría de los microorganismos presentes en la leche cruda son bacterias no patógenas, que pertenecen a los géneros Streptococcus, Lactococcus, Leuconostoc, Propionibacterium y Lactobacillus, pero también se pueden encon trar microorganismos patógenos (por ejem plo, coliformes). La presencia de la alta carga microbiana inicial (10- UFC/m¿ ) y la compo sición rica en nutrimentos de la leche, hacen que los microorganismos se reproduzcan rápi damente v la fermenten en condiciones ambientales, por lo que la vida útil de este pro ducto es muy corta. A pesar de esas caracte rísticas, el hombre aprendió a aplicar ciertos procedimientos para impedir el proceso de fermentación o, a manipular las condiciones para obtener provecho de él. La fermentación de la leche es una de las prác ticas más antiguas en lo que se refiere a la con servación de los alimentos; su utilización se menciona en el Antiguo Testamento. Se des cubrió -por accidente- al almacenar el fluido recién ordeñado en recipientes: después de un determinado periodo, al abrir los recipien tes, el producto tenía un olor ácido y se había separado en dos fases: una líquida y semi transparente y otra semisólida con grumos de color blanco y sabor agradable. Con el paso del tiempo, el hombre desarrolló métodos para elaborar una gran variedad de leches fermentadas, cuyas propiedades de penden de los microorganismos que partici pan en la fermentación, del lugar donde se produce y hasta del tipo de animal del cual se
extrae la leche. Algunas de estas leches fer mentadas son conocidas como kefir, koumiss, leche búlgara, ¡eche acidófila y yogur. En Costa Rica, por ejemplo, principalmente en las zo nas rurales, se consume leche agria, que es una leche fermentada por medio de la flora asocia da, es decir, con los microorganismos que se encuentran en la leche cruda, aunque también puede ser producida por inoculación de mi croorganismos específicos. Las leches fermentadas tienen algunas venta jas sobre la leche fluida, entre ellas: un au mento del valor nutricional y una mayor digestibilidad (por la hidrólisis de las proteínas y la fermentación de la lactosa); además, se les ha atribuido cierto poder medicinal y su con sumo se ha relacionado con un aumento de la longevidad en las personas. A causa de la gran variedad de productos lác teos que se pueden obtener por fermentación, en el capítulo se estudiarán únicamente algu nos de ellos, principalmente los de mayor consumo e importancia en este país.
EL YOGUR
Definición El yogur es un producto que se obtiene al fer mentar la leche utilizando un cultivo mixto formado por las bacterias Lactobacillus delbrueckii, subespecic bulgaricus, y Streptococcus salivarius, subespecie thernwphilus. Como re sultado de la fermentación, se produce ácido láctico -a partir de la lactosa presente en la le che- y una serie de compuestos que le impar ten al yogur un sabor y un aroma típicos. El yogur debe tener una consistencia suave y homogénea así como estar libre de suero y grumos. Para evaluar sus características, se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos:
UFC: unidades forma doras de colonias.
M ICRO BIO LOGÍA INDUSTRIAL / A i ¡CIA HERNÁNDEZ
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aroma, sabor (acidez), cuerpo (viscosidad o consistencia) y textura (ausencia de grumos).
Historia Según las fuentes históricas, el yogur tuvo su origen en el Medio Oriente hace muchos si glos; sin embargo, los productos a los que se refieren en esa época son en realidad varias le ches fermentadas en forma empírica, con la participación de los microorganismos presen tes en la leche o en el medio, pues -com o se recordará- el descubrimiento de los microor ganismos y sus características se llevó a cabo a finales del siglo XVII y su utilidad y sus fun ciones se detectaron y desarrollaron en el si glo XIX. Desde sus orígenes, las leches fermentadas han sido ingeridas por sus propiedades medi cinales para el alivio de desórdenes estomaca les, intestinales y del hígado. Durante la pri mera mitad del siglo XX, un bacteriólogo ruso de apellido Metchnikoff relacionó la buena sa lud y la longevidad de los campesinos de los Balcanes con el consumo de un producto fer mentado, a partir de leche, al cual le llamaban Yahourth. Por este motivo, se considera que las leches fermentadas fueron las precursoras de lo que hoy se conoce como yogur. Después de la Segunda Guerra Mundial, la tecnología del yogur tuvo un avance muy sig nificativo. Actualmente, el consumo del pro ducto está muy difundido a escala mundial y, en Costa Rica, cada día gana más adeptos. En el mercado nacional, el yogur es fabricado y distribuido por varias industrias; cada una de ellas ofrece a! consumidor una gran variedad de sabores, consistencias y presentaciones.
C v*u o *
LOS PRODUCTOS LÁCTEOS
Los tipos de yogur Existe una gran variedad de yogures que di fieren entre sí por varios factores, entre ellos: el proceso de elaboración, la adición de saborizantes y la forma de presentación. En Costa Rica, el yogur más consumido es el yogur bati do, que contiene diferentes frutas; le sigue el yogur líquido, cuya introducción en el mercado es más reciente. El yogur firm e y el batido son dos tipos de yo gur que difieren en el proceso de elaboración. En el yogur firm e, la leche inoculada con los microorganismos se debe empacar en los reci pientes definitivos antes de que se inicie la fermentación, o sea, la fermentación se lleva a cabo en el mismo recipiente en el que será dis tribuido el producto. Si se desea agregarle frutas, se adicionan en el fondo del envase an tes de la leche. El yogur batido (también cono cido como yogur a granel) es producido en tanques de fermentación y se empaca una vez que las frutas o los saborizantes hayan sido mezclados con el yogur. El yogur natural no contiene ningún ingredien te adicional (como saborizantes o frutas), mientras que el yogur de frutas posee frutas en trozos o en forma de puré. El yogur líquido se puede describir como un yogur batido de menor viscosidad. Se obtiene a partir de una leche con un bajo contenido de sólidos totales (11% p/v) o mezclando iguales cantidades de agua y yogur; sin embargo, una desventaja de este último método es que, a ve ces, se separan la fase líquida y la fase sólida. El yogur bajo en calorías posee poca grasa (me nos del 1%) y de carbohidratos (azúcares). El consumo de este tipo de yogur se ha elevado mucho en la época actual, en la que existe una creciente preocupación por la calidad de los alimentos que se ingieren y, sobre todo, por su contenido de calorías. ___________ 67
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Existen otros tipos de yogur, como el yogur congelado, el yogur deshidratado y el yogur de ba jo contenido de lactosa, que no serán estudiados en este texto, pues su consumo no está muy difundido en Costa Rica. Para profundizar en el tema, puede revisar el libro de Tamine y Rob in s o n (1987).
El proceso de elaboración del yogur batido En el Esquema 4.1, se representan las etapas del proceso general para la elaboración de yo gur batido; se seleccionó ese tipo de yogur por que es el de mayor distribución en este país. Materia prima
La materia prima El yogur se elabora tanto con leche entera co mo descremada,* preferiblemente de vaca, aunque en otros países se emplea leche de ca bra, de yegua o de búfala. También, puede utilizarse leche en polvo reconstituida. La le che debe estar libre de antibióticos, porque su presencia inhibe el desarrollo de los microor ganismos que llevan a cabo la fermentación. El contenido de sólidos totales (ST) es vital en el proceso de elaboración de este producto. En general, el contenido de ST adecuado para la elaboración de yogur es de 15 a 16%; entre mayor sea su contenido, mayor será su visco sidad. Como la leche contiene un 13% de ST en promedio (ver Cuadro 4.1), este porcentaje se debe aumentar. Para reforzar el estudio de este material, reali ce la siguiente actividad: Analice las etiquetas de los yogures que se expenden en Costa Rica: haga una lista de los ingredientes utilizados e identifique su función en el producto.
Cultivo iniciador
La estandarización Para aumentar el contenido de sólidos totales en la leche, primero es necesario estandarizar la cantidad de grasa. Bottazzi (1983) reporta que el contenido de la grasa del yogur debe estar entre el 0,5%, en el caso del descremado, y el 3,5%, en el caso del entero.
Frutas
Es posible elaborar yogur sin aumentar el con tenido promedio de sólidos totales de la leche, pero el gel que se forma es muy débil y se romLa leche entera (o simplemente leche) es la que tie ne los componentes en sus cantidades originales. Esquema 4.1:
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Las etapas del proceso de elaboración del yogur batido.
La leche descremada es la que contiene 0,5%, o me nos, de grasa.
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pe con mucha facilidad, lo que provoca la se paración del suero de la leche. Para elevar la cantidad de sólidos totales, existen varias op ciones. Tradicionalmente, se concentraba la le che disminuyendo su volumen en una tercera parte, por medio de la evaporación del agua presente en ella. Actualmente, se prefiere agregar leche descremada en polvo u otros só lidos de la leche hasta alcanzar el contenido de los sólidos totales requerido, porque es un pro ceso más práctico y barato. Otros métodos uti lizados, aunque con menos frecuencia, para aumentar el contenido de sólidos totales son la ultrafiltradón y la ósmosis inversa. Para contrarrestar los efectos negativos sobre la viscosidad y la fuerza del gel, por causa del bajo contenido de los sólidos totales en la le che, también se recurre a la adición de estabi lizantes, que mejoran el cuerpo, la textura y la apariencia del yogur. Algunos comúnmente utilizados son el almidón, la carragenina, los alginatos, la goma de algarrobo, la gelatina y la pectina. Los estabilizantes se deben agregar durante la estandarización de la materia pri ma. El contenido de los estabilizantes en el yogur no debe superar el 0,3%, porque provo can consecuencias adversas en el sabor.
La homogeneización La etapa de homogeneización generalmente se lleva a cabo antes de la pasteurización, pe ro puede ser realizada después. Consiste en someter la leche a altas presiones (entre 2,6 y 6,8 kP*a) con el fin de disminuir el tamaño de las gotas de grasa y otros constituyentes y, así, que se dispersen mejor. El resultado es un yo gur más viscoso, más estable y con mejores ca racterísticas organolépticas.
*
La pasteurización La pasteurización es una de las etapas más importantes de este proceso porque: •
Se elimina la mayor parte de la flora con tenida en la leche. La disminución de la flora asociada a la leche permite el creci miento de los microorganismos (produc tores del yogur) libres de competencia, con todos los nutrimentos de la leche a su disposición.
•
Se logra la inactivación de enzimas que afectan las características organolépticas del yogur.
•
Se desnaturalizan las proteínas de la leche. Mediante la desnaturalización de las pro teínas, se liberan péptidos que contribu yen al crecimiento de los microorganis mos inoculados. Además, la modificación de la estructura de las proteínas favorece su agregación, lo que mejora la viscosidad del yogur y su capacidad de retención de agua, e impide la separación del suero de la leche.
Existe una gran gama de temperaturas y tiem pos asociados a la pasteurización de la leche, de acuerdo con el proceso de fabricación del yogur y el equipo disponible para realizarla. Algunos ejemplos son los siguientes: de 80 a 85 °C por treinta minutos, o a 90 °C por cinco minutos, para leche procesada por lotes; entre 72 y 75 °C por dieciséis segundos, si se utiliza equipo especializado. Se debe tomar en cuenta que un calentamien to débil de la leche genera un yogur bajo en viscosidad, mientras que un sobrecalenta miento puede provocar una textura granular y una tendencia a la separación del suero.
latm = 101325Pa,
Ginrwo* LOS PRO D U C TO S LÁCTEOS
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El enfriamiento pospasteurización Después de la pasteurización, la leche debe ser enfriada hasta la temperatura necesaria para el crecimiento óptimo de los microorga nismos, que oscila entre los 40 y 45 °C. El en friamiento se puede llevar a cabo de dos for mas: •
Se hace pasar la leche por un intercambia dor de calor de placas F ig u r a 4 .1 :
•
En el mismo tanque de pasteurización, se hace pasar agua fría (en lugar de caliente) por la camisa del reactor (ver el Diagrama 3.3).
La inoculación y la fermentación El cultivo iniciador se encuentra compuesto por los microorganismos S. thermophilus y L. bulgaricus en una relación 1:1, la cual garanti za una adecuada consistencia del yogur y un agradable aroma. Los cultivos iniciadores o starters utilizados en Costa Rica para la fer mentación de la leche son microorganismos liofilizados que se venden en dos presentacio nes, según la manera de aplicarlos: •
•
70
Para "reconstituir". Se preparan cultivos madre y se hacen los traspasos necesarios de acuerdo con el volumen de yogur por producir. Para preparar el cultivo madre, se inocula el cultivo iniciador en un ma traz con leche estéril y se coloca en las con diciones óptimas de desarrollo. Para "aplicación directa". Se adiciona el contenido de los sobres directamente a la leche pasteurizada. La Figura 4.1 muestra matraces con cultivo madre listo para ser inoculado en la leche.
Un cultivo d e microorganismos para la preparación de yogur. Fuente: Fábrica de yogur ¿a rueda.
El cultivo iniciador se inocula en una propor ción que oscila entre el 1 y el 5% v/vde la can tidad de leche inicial que se utiliza. Se debe mezclar muy bien con la leche para asegurar una adecuada distribución de los microorga nismos. En este momento, empieza el proceso de fermentación. La fermentación se realiza durante un promedio de tres a seis horas, a una temperatura entre los 40 y 45 °C. El tiempo de fermentación depende de la temperatura de in cubación y de la capacidad de producción de ácido láctico de los microorganismos. El proce so se debe detener cuando se alcanza una con centración de ácido láctico entre 0,70 y 1,1% p/v En este rango de concentración de ácido, el valor del pH se encuentra entre 4,6 y 3,7.
El enfriamiento posfermentación Cuando se alcanza la acidez deseada, se debe detener el proceso de fermentación. Para de tener la fermentación, se disminuye la tempe ratura, porque los microorganismos involu crados en el proceso no son capaces de crecer a temperaturas inferiores a 10 °C; además, a bajas temperaturas, se suspende la actividad de las enzimas generadas por los microorga nismos. La temperatura recomendada es la de refrigeración (5 °C). El enfriamiento, a la vez,
M i c r o b i o l o g í a i n d u s t r i a l / A l ic ia H e r n á n d e z
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tiene un efecto positivo, pues aumenta la fir meza del gel.
La agitación y la adición de frutas La adición de frutas al yogur le confiere una mayor aceptación por parte del consumidor. En Costa Rica, se agregan al yogur una gran variedad de frutas, entre las cuales se pueden mencionar: fresa, melocotón, mora, guanába na, mango, guayaba, naranja, naranjilla y combinaciones de ellas. Una vez que el yogur se encuentra frío, se de be agitar cuidadosamente para romper el coá gulo o gel; si la agitación se realiza en forma brusca, el yogur pierde su viscosidad. Duran te esta etapa, se adiciona la fruta, previamen te preparada en forma de trozos o puré, en porcentajes que varían desde el 5 al 25% del producto final. Las frutas deben recibir trata miento térmico previo, ya que, de lo contrario, son fuente de hongos y levaduras que conta minarán el yogur y disminuirán su vida útil.
El empaque Cuando el yogur se ha enfriado y se le han agregado las frutas, el producto se empaca. Los recipientes deben ser resistentes, imper meables y de un material que no reaccione con el producto para protegerlo de alteracio nes físicas, químicas y de microorganismos. Después de empacado, el yogur debe conser varse en refrigeración con el fin de aumentar su vida útil, que se calcula en un mes.
El proceso de elaboración de yogur firme Para fabricar el yogur firme, se varía el orden de las etapas de elaboración del yogur batido.
o ttn ju , 4-
LOS PRO D U C TO S LÁCTEOS
La mezcla se coloca en los empaques de distri bución inmediatamente después de que se inocula la leche y, allí, se realiza la fermenta ción. Cuando el yogur contiene frutas, estas deben colocarse en el recipiente antes de agre gar la mezcla de fermentación. El resto de las etapas y las condiciones del proceso es similar a las del yogur batido.
La producción de "yogur" en forma casera En la actualidad, existen máquinas para hacer yogur a muy pequeña escala, pero estos equi pos son poco utilizados en nuestro país. Sin embargo, muchas amas de casa fabrican un producto que llaman "yogur", el cual, en rea lidad, es una leche fermentada de composi ción variable, pues depende de la flora micro biana contenida en el inoculo utilizado para su elaboración. El inoculo tiene forma de gra nos de color blanco, conocidos como "gusanitos" por su apariencia. El principio de prepa ración es básicamente el mismo utilizado pa ra el yogur industrial, aunque las condiciones de producción son muy diferentes. Los gra nos se colocan en la leche que se quiere trans formar, el recipiente se tapa y se deja a tempe ratura ambiente por tres o cuatro días hasta que la leche cuaje. Luego, el producto se pasa por un colador, con el fin de recuperar el ino culo y el yogur se puede consumir. Por últi mo, los granos retenidos en el colador se la van y quedan listos para volver a ser inocula dos en leche. Como se mencionó, este "yogur" se debería de nominar leche fermentada, pues los análisis microbiológicos de los granos (que son en rea lidad un conglomerado de microorganismos con restos de leche) muestran la presencia de bacterias lácticas, pero también de gran canti dad de coliformes y otros microorganismos
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muy diferentes a Lactobacillus bulgaricus y a Streptococcus therniophilus. Por otra parte, a partir de las características de producción, tales como la consistencia de los granos, el "yogur" se parece más al producto conocido como kefir. Se debe tener presente que la manipulación incorrecta del conglomerado de microorganis mos puede originar un producto contamina do con algún microorganismo patógeno (per judicial para el ser humano).
La microbiología y la bioquímica de la fermentación del yogur Los microorganismos encargados de convertir la leche en yogur (Streptococcus thermophilus y Lactobacillus bulgaricus) son bacterias Gram positivas, y producen ácido láctico como metabolito principal (son homofermentativas). Estos microorganismos crecen en forma ópti ma en un intervalo de temperatura entre los 40 y 45 °C; su metabolismo se detiene a tempera turas por debajo de los 10 °C. L. bulgaricus es capaz de fermentar fructosa, galactosa, gluco sa y lactosa, mientras S. thermophilus puede fermentar glucosa, fructosa, lactosa y sacarosa. Ambos microorganismos tienen requerimien tos nutricionales complejos que son suplidos por la leche; utilizan la lactosa como fuente de energía y la transforman en ácido láctico. Además del ácido láctico, durante el metabo lismo de los microorganismos, se producen al gunos metabolitos que son los responsables del aroma característico del yogur; entre ellos, los más importantes son: el acetaldehído, el diacetilo y la acetoína. También, se obtienen ácidos volátiles, tales como: el fórmico, el acé tico, el propiónico, el butírico, el isovalérico y el caproico, los cuales sinèrgicamente con los metabolitos mencionados originan el aroma característico del yogur. El acetaldehído es la
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sustancia responsable del aroma que se en cuentra en mayor concentración en el yogur (entre 23 a 55 ppm); se produce por la vía de Embden-Meyerhof (Caída et ai., iw). Los dos microorganismos actúan en forma si nèrgica: las bacterias se estimulan mutua mente. Ambas especies pueden crecer en un pH bajo, pero S. thermophilus crece mejor al inicio de la fermentación cuando el pH es alto. El pH disminuye durante la fermentación, por la producción de ácido láctico, hasta alcanzar un valor inferior a 5,5. La acidez, el consumo de oxígeno y la liberación de sustancias volá tiles que produce este microorganismo, crean las condiciones ideales para que se desarrolle L. bulgaricus. Por otro lado, al liberar aminoá cidos de la caseína, el bacilo estimula el creci miento de S. thermophilus y, entonces, se pro ducen ácidos grasos y acetaldehído. Otro efecto positivo de la disminución del pH es la inhibición de los microorganismos que no cre cen en ambientes tan ácidos, como la Salmone¡la, el Staphylococcus aureus y otros microorga nismos que pueden deteriorar el producto. Desde el punto de vista bioquímico, la lactosa es hidrolizada dentro de la célula bacteriana por una lactasa, en unidades de glucosa y ga lactosa. La glucosa es metabolizada por la vía de Embden-Meyerhof, como se explicó en el Capítulo 3, hasta ácido pirúvico, el cual se convierte en ácido láctico por la acción de la deshidrogenasa láctica presente en ambos mi croorganismos. Por otro lado, ambas bacte rias carecen de la enzima alcohol deshidroge nasa, por lo que son incapaces de transformar el acetaldehído en etanol. La proporción en la que se inoculan los mi croorganismos, según se mencionó, es de 1:1 (Streptococcus; Lactobacillus). Al final de la fer mentación, la proporción en que se hallan es tos microorganismos depende de las condicio-
M ICRO BIO LOGIA INDUSTRIAL / ALICtA HERNÁNDEZ
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Relación Streptococcus: Lactobacillus
1:1
2:1
41
42
1:2
44
43
□
Streptococcus
a
Lactobacillus
45
Temperatura (°C)
G ráfico 4.1:
La influencia de la temperatura sobre la proporción de las especies al final de la fermentación, en un cultivo de yogur. Fuente: Adaptado de Ellner (1997). R e la c ió n final de» m ic r o c x g a m s m o s Streptococcus: /ac fohacillus
O >
3
3 U
2
2,5
3
Tiempo de incubación (h) G ráfico 4.2:
La influencia de la cantidad de inoculo y el tiempo sobre la proporción de las especies al final de la fermentación, en un cultivo de yogur. Fuente: Adaptado de Ellner (1997).
nes de producción y se encuentra en función directa de las características organolépticas deseadas en el yogur. En el Gráfico 4.1, se re presenta la influencia de la temperatura sobre la proporción de las dos especies en el cultivo del yogur. Así, por ejemplo, a una temperatu ra de 43 °C, la proporción de microorganis mos al final de la fermentación es de 1:1, mientras que a 45 °C, se favorece la produc ción del Lactobacillus (relación 1:2) y se obtiene un yogur muy ácido.
gur a 42 °C durante dos horas y media, con una relación final de microorganismos de 1:1, es necesario inocular con una cantidad de cul tivo equivalente al 3% v/v de la leche que se desea fermentar. Si el yogur se produce en tres horas, se inocula la leche con un 2% del cultivo (en relación con la cantidad de leche empleada).
La cantidad de inoculo y el tiempo de fermen tación también influyen en las características del yogur (Gráfico 4.2). Para producir un yo
Algunas personas no toleran la leche: su con sumo les causa desórdenes estomacales; la si tuación se debe a que no poseen, en su siste-
CAfiTt'io4 LOS PR O D U C TO S LÁCTEOS
Aspectos nutricionales del yogur
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ma digestivo, ima enzima conocida como lactasa, encargada de descomponer la lactosa en sus azúcares constituyentes. Este problema de intolerancia a la leche no se presenta al consumir yogur, ya que, durante la fermenta ción de la leche, la lactosa es utilizada por los microorganismos como fuente de energía y, por lo tanto, su contenido se reduce. Varios estudios han revelado que la lactosa residual del yogur es hidrolizada por las bacterias lác ticas dentro del intestino del ser humano. Por otro lado, la digestibilidad de las proteínas presentes en la leche aumenta por la acción proteolítica de las enzimas producidas por las bacterias mencionadas. Asimismo, se reco mienda el consumo de yogur después de al gún desorden intestinal o después de un trata miento de antibióticos, pues ayuda en la rege neración de la flora intestinal.
descubrió que era un alimento de buen sabor. En la actualidad, se sabe que esa transforma ción de la leche en queso se debió a varios fac tores: la presencia de microorganismos, la temperatura de la leche transportada y, princi palmente, la presencia de la enzima conocida como renina o quimosina. La enzima se en cuentra en los estómagos de los temeros, las cabras y las ovejas, por lo que la leche se coa gulaba cuando era colocada en estos "reci pientes". No se sabe la fecha exacta en la que se fabricó queso por primera vez, aunque se han encon trado recipientes para su fabricación, en Egip to, que fueron utilizados miles de años antes de Cristo. A mediados del siglo XIX, su elabo ración se extendió a todas las granjas en Euro pa. Hoy, es una industria de grandes propor ciones a escala mundial v se fabrican muchas é variedades de quesos.
LOS QUESOS
Las características del queso
Los tipos de quesos
En la mayoría de los casos, el queso consiste en la fracción sólida que se obtiene por coagu lación enzimàtica de la leche. Básicamente, está compuesto por caseína (proteína de la le che), grasa, sales solubles e insolubles, agua, lactosa y albúmina. Desde el punto de vista nutricional, se considera que posee gran valor alimenticio por su contenido de proteínas, grasas, calcio, fósforo y vitaminas.
Se conocen en todo el mundo más de dos mil nombres de quesos; sin embargo, en realidad, hay menos de cincuenta tipos diferentes. Los distintos nombres que se les asignan a los quesos dependen del lugar de fabricación, de ligeras modificaciones en el proceso de elabo ración o, incluso, de la presentación de los quesos (tamaño, forma) y del método de con servación.
La fabricación del queso se produjo en forma accidental: antiguamente, se utilizaban los es tómagos de cabras y ovejas para transportar la leche y, durante el transporte, la leche se coa gulaba y se separaba en una fracción líquida (el suero) y otra semisólida (el queso). Sin co nocer el origen de aquellos cambios, la gente
Una clasificación muy general se fundamenta en si los quesos, después de obtenidos, han si do sometidos o no a un proceso de fermenta ción (maduración) con microorganismos. En esta clasificación, se denominan quesos madu rados y quesos frescos. En el Cuadro 4.2 se ex ponen algunos de estos tipos de queso.
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MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAI / ÁUCIA HERNÁNDfZ
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Cuadra 4,2
EJEMPLOS DE QUESOS MADURADOS Y FRESCOS Madurado
Fresco
Rarmesano
Queso Crema
Cheddar
Ricotta
Suizo
Requesón
Gruyere
Tierno
El proceso general de elaboración de quesos Aunque cada uno de los diferentes tipos de queso tiene un proceso de elaboración dife rente, muchas de las etapas son iguales. En el esquema siguiente se presenta un diagrama general para la producción de queso.
Roquefort
Materia prima
Camembert
En Costa Rica, la mayoría de la población con sume quesos frescos o ligeramente madurados; el consumo de quesos con procesos de madu ración extensos y de aquellos madurados con hongos, por ejemplo el Roquefort, no se encuen tra muy difundido; incluso, en el caso de los madurados con hongos, la presencia "física" de los microorganismos provoca rechazo. En Francia y en otros países, donde se puede decir que existe "una cultura del queso", el consumo de quesos madurados es muy alto. Otra clasificación general se realiza de acuer do con la textura de los quesos y los agrupa en: duros o de pasta dura, semiduros y suaves o de pasta blanda. La dureza del queso depen de principalmente de su contenido de agua. En los diferentes quesos duros, el contenido de agua oscila entre un 13 y un 34%, mientras que, en los quesos suaves, el contenido de agua puede ser hasta de un 60%. En nuestro país, existen varias empresas que se dedican a la elaboración de queso, pero, también, se produce en forma artesanal en la mayoría de las lecherías y, de ahí, es distribui do y expendido en las pulperías y en las ferias del agricultor.
E sq u em a 4 .2 :
Las etapas del proceso de elaboración del queso.
La materia prima y la estandarización La mayoría de los quesos se elaboran a partir de leche de vaca; sin embargo, también se uti lizan las leches de cabra, oveja, búfala, camella y yegua. En Costa Rica, el queso que se consu
Ortimo*: LOS PRODUCTOS LÁCTEOS
___________75
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me es producido con leche de vaca, aunque se puede encontrar una pequeña cantidad de queso de cabra preparado en forma artesanal.
de la leche cuando se adiciona la renina e in fluye en la textura, el aroma y la vida útil de los quesos.
De igual forma que en la elaboración de yo gur, la leche que se emplea debe cumplir cier tos requisitos de calidad; principalmente, po seer un bajo contenido de gérmenes y estar li bre de antibióticos. La composición de la le che depende de algunos factores, como la ra za del animal, la hora del ordeño, el periodo de la lactancia, la época del año y el tipo de la alimentación del animal, por lo que debe ser estandarizada antes de iniciar el proceso. Ge neralmente, se ajustan los contenidos de gra sas y de proteínas para que cumplan con los requerimientos mínimos de las normas vigen tes. El contenido de proteínas se complemen ta añadiendo caseinatos.
El cultivo iniciador que se agrega depende del tipo de queso que se va a elaborar. Si el queso es de pasta blanda se usan cultivos de acidifica ción rápida, como el compuesto por Lactococcus Indis, subespecie Indis y Lactococcus Indis, subespecie cremoris. Para obtener quesos de pas ta dura y firme, se utilizan cultivos con capaci dad proteolítica y lenta producción de ácido, por ejemplo, el formado por Lactobncillus cnsei y Leuconostoc citrovorum. En el Cuadro 4.3 se mencionan algunos tipos de quesos y el cultivo iniciador que se añade en su fabricación.
La pasteurización La pasteurización brinda tanto ventajas como desventajas en el proceso de elaboración de queso. La leche debe ser sometida a un trata miento térmico, antes de ser procesada, para eliminar los microorganismos patógenos y fa cilitar el desarrollo del cultivo láctico; sin em bargo, este tratamiento reduce el poder de coagulación de la leche e induce la precipita ción de las proteínas, lo que puede causar pro blemas en el desuerado. Para disminuir al máximo los inconvenientes, se recomienda re ducir el tratamiento térmico: realizarlo a una temperatura entre 62 y 65 °C, durante un tiem po entre quince y veinte segundos.
La inoculación y la fermentación La adición de cultivos lácticos o iniciadores durante esta etapa tiene como finalidad pro ducir ácido láctico para acidificar la leche. La presencia del ácido favorece la coagulación
76
Cuadro 4.3
DIFERENTES TIPOS DE QUESO Y SUS CULTIVOS INICIADORES Tipo de queso
Cultivo iniciador
Emmental
Streptococcus thermophilus, Lactobacillus hehcricus. Lactobacillus ease/, Propionilyactcrium treudenreichii
Edam
Streptococcus thermnphilus, Lactobacillus helvéticas. Lactobacillus casei
Camembert
Penicillium candidum, Latfotoccus laciis
Roquefort
PemciIlium roquetorti, Ljc Ukocojs lactis
Cottage
LactoctKCte lacth
Cheddar
Laclocotcus crémorib
Fuentes:
Adaptado de Vedamuthu y Washam (1983), y Ellner (1997).
Antes de la inoculación de los cultivos inicia dores, es necesario ajustar la temperatura de la leche entre 28 y 32 °C, que es el intervalo ópti mo para el crecimiento de los microorganis mos. La concentración en la que se adicionan estos cultivos depende del tipo de queso por obtener y varía entre el 1 y el 6% de la cantidad de leche que se desea fermentar. El tiempo de incubación -a estas temperaturas- oscila entre
M i c r o b i o l o g í a i n d u s t r i a l / A u o a H ír n á n d iz
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los quince y los sesenta minutos, y finaliza cuando se alcanza un pH entre 6,5 y 5,9.
La coagulación La coagulación de la leche consiste en la de sestabilización o desnaturalización de las pro teínas de la leche. Se puede realizar de dos formas: agregando ácidos (o produciéndolos por vía microbiana) o enzimas. Algunos fac tores que afectan la coagulación son la tempe ratura, el pH y los contenidos de calcio y de fosfato de la leche. •
Coagulación acida: ocurre por la acumu lación de ácido láctico producido por la fermentación; sin embargo, la cuajada que se obtiene por este método es desmenuzable y sin cohesión. También se efectúa por adición de otros ácidos, generalmente or gánicos.
•
Coagulación enzimática: es la más fre cuente. Se lleva a cabo por la adición de un conjunto de enzimas, denominado re nina o cuajo común, extraído generalmente del estómago de los temeros. La mezcla está compuesta principalmente por las en zimas quimosina y pepsina. En la actuali dad, se utilizan otras enzimas proteolíticas, como las pepsinas bovinas y porcinas, y las de origen microbiano -cuajo microbia no- que provienen, sobre todo, de los hon gos Mucor pusillus o Mucor miehie. Antes de adicionar el cuajo, es convenien te ajustar la temperatura de la leche entre 30 y 40 °C, intervalo óptimo de actividad de estas enzimas. Una vez agregado el cuajo, la leche se deja en reposo por un pe riodo de veinte a treinta minutos, que es el tiempo requerido para su coagulación. Para ayudar ai proceso, se adiciona cloru ro de calcio en una concentración entre 0,1
CA»wio< LOS PRO D U C TO S LÁCTEOS
y 0,2 g/¿de leche, ya que, al aumentar el calcio disponible, se favorece la precipita ción de las proteínas. Hasta la etapa de coagulación, los procedi mientos básicos en la fabricación de los dife rentes quesos son muy similares; sin embargo, las etapas siguientes varían de acuerdo con el tipo de queso por producir.
El desuerado o escurrimiento Una vez que la leche se ha coagulado, se debe cortar el coágulo. Primero, se hacen cortes en forma vertical y, luego, en forma horizontal hasta que la cuajada queda convertida en cu bos pequeños. Este procedimiento ayuda a eliminar el suero, por el aumento que se logra en la superficie. En la Figura 4.2, se ilustra el corte de la cuajada.
Figura 4.2:
El corte de la cuajada del coágulo en la fabricación de quesos.
Además del corte de la cuajada, otros factores que contribuyen al desuerado son el aumento en la temperatura y la agitación. El calenta miento debe ser un proceso lento, aproxima damente 1 °C cada dos o tres minutos, pero depende del tipo de queso que se fabrique. La agitación se empieza cinco o diez minutos después de la coagulación de la leche y debe 77
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realizarse a una velocidad suficientemente al ta para impedir que los cubos de cuajada es tén en contacto, pero no tanto como para que se rompan.
El moldeo y el prensado El moldeo tiene como finalidad dar forma al queso y ayudar a que los granulos de cuajada se aglomeren. Los moldes pueden ser redon dos, cuadrados, cilindricos o alargados. El prensado se realiza para endurecer la masa de queso y eliminar el exceso de suero. Gene ralmente, el moldeo y el prensado se ejecutan utilizando el mismo equipo, pues los moldes tienen dispositivos que ejercen presión sobre el queso. La presión que se ejerce y el tiempo de aplica ción dependen del tipo de queso. Si se elabo ran quesos blandos o semiblandos no es nece sario aplicar presión, pues es suficiente con la que provoca el peso del queso. Este procedi miento se conoce como autoprensado y puede durar hasta veinticuatro horas. Es necesario, cada cierto lapso breve de tiempo, darle vuel ta al queso para lograr que adquiera la consis tencia deseada. Cuando se va a producir un queso de consistencia más dura, se utiliza las prensas neumáticas. Al usarlas, se debe con trolar la presión que se ejerce, pues si es muy alta se pueden romper los granulos en lugar de endurecer la masa de queso.
El salado El salado de los quesos tiene varias funciones: •
Proporcionar sabor al producto (es la prin cipal)
•
Evitar la proliferación de microorganis mos
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•
Ayudar al desuerado
•
Contribuir a la formación de la corteza del queso.
En el proceso, se utiliza sal cristalizada o sal mueras de diferentes concentraciones, de acuerdo con el tipo de queso. La sal cristaliza da se esparce en la superficie del queso para que se disuelva con el agua superficial y se di funda, poco a poco, hacia el interior del que so. El salado por este método puede durar desde veinticuatro horas hasta varios meses; el queso se debe voltear diariamente para lo grar una mejor distribución de la sal. Si se uti liza una salmuera, su concentración de sal de be oscilar entre el 14 y el 16% p/ppara quesos blandos y entre el 22 y el 24% para quesos du ros (DUanjan, 1974). Los quesos se sumergen en la salmuera, procurando que no queden partes expuestas en la superficie.
La maduración La maduración de los quesos consiste en una transformación microbiana de sus componen tes en sustancias con mejor sabor y aroma. Las principales modificaciones que se presen tan son reacciones de hidrólisis de la lactosa, el ácido láctico, las proteínas y la grasa. El proceso de maduración se lleva a cabo en cámaras con humedad y temperatura contro ladas y por periodos que dependen del tipo de queso. El tiempo de maduración es, por lo general, noventa días; sin embargo, en ciertos quesos, se extiende hasta cuatro años. La tem peratura de la cámara varía entre 2 y 16 ”C y la humedad relativa entre 75 y 90%. Los mi croorganismos involucrados en la madura ción son las bacterias lácticas y propiónicas, principalmente, así como levaduras y hongos. Las bacterias lácticas incluyen especies de los géneros Lactobacillus, Streptococcus, EnterococM i c r o b i o l o g í a i n d u s t r i a l / A l ic ia H e r n á n d e z
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cus, Leuconostoc, Pediococcus y Bifidobacterium. Como se ha mencionado, el producto princi pal de su metabolismo es el ácido láctico; sin embargo, también generan compuestos aro máticos y proteasas que transforman la caseí na en péptidos. En ciertos quesos duros, como el emmental, se emplean bacterias propiónicas (por ejemplo, Propionibacterium freudenreichii) en el cultivo iniciador de la maduración. Estas bacterias forman ácido propiónico, succinato, prolina y ácidos grasos volátiles, que le confieren el sa bor y el aroma característicos, así como dióxi do de carbono, gas responsable de la forma ción de los agujeros típicos de este queso. Las levaduras generan compuestos aromáti cos a partir del lactato y, además, poseen enzi mas proteolíticas y lipolíticas que hidrolizan las proteínas y las grasas, produciendo sus tancias que modifican el aroma y el sabor del queso. Algunas de las levaduras presentes con más frecuencia en la maduración de que sos son las de los géneros Kluyveromyces, Debaromyccs, Saccharomyces y Torulopsis. Los hongos utilizados en la maduración de quesos pertenecen principalmente a especies del género PenicHlium. Los quesos Camembert y Brie, por ejemplo, son elaborados con cultivos de PenicHlium camemberti, mientras que el queso Roquefort es producido con Periicillium roqueforti. Para su fabricación, la leche debe ser inoculada con esporas del hongo an tes de la formación de la cuajada. Una vez ob tenido el queso fresco se realizan perforacio nes que permiten la circulación de aire y, por lo tanto, el desarrollo de los hongos (ver la Fi gura 4.3). Los hongos son capaces de transfor mar los ácidos grasos en metilcetonas, que son los compuestos que proveen el sabor y el aroma típicos a este tipo de quesos.
Gvrrw o 4.
LOS PR O D U C TO S LÁCTEOS
F ig u ra
4.3:
La perforación d e quesos para el desa rrollo de hongos.
En el caso específico de la elaboración del queso palmito, uno de los más típicos de nuestro país, se mezcla una parte de leche descrema da (que provenga del ordeño de la tarde ante rior) con otra parte de leche sin descremar (or deñada en la mañana). Como se puede obser var, de esta forma tan empírica, se adiciona le che con cierto grado de fermentación. El cua jo enzimàtico se deshace en una determinada cantidad de suero obtenido del queso fabrica do anteriormente y se añade a la mezcla de le ches. La leche coagula en menos de treinta minutos y se corta con la mano o con una pa leta. Entonces, se procede al desuerado y se deja fermentar la cuajada por trece horas; lue go, se desuera completamente. Después, se calienta la cuajada hasta que funda y se em pieza a hilar con la mano en forma de ovillo, salando simultáneamente con una salmuera. Una vez formado el ovillo, se coloca en un molde de madera para evitar que pierda su forma. Para complementar el material expuesto so bre quesos, lleve a cabo las siguientes activi dades: Investigue el proceso de elaboración de queso en alguna lechería y compárelo con el que se realiza en las industrias lácteas. Investigue el proceso de elaboración de algún tipo de queso madurado. Haga el diagrama y describa cada una de las etapas. Enfatice en aquellas en las que intervienen microorganismos.
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La
La materia prima y ia estandarización
n a ti l la
Definición La tintilla, también conocida como crema àci da, es un producto obtenido a partir de la fer mentación de la crema de la leche, utilizando microorganismos lácticos. Se produce artesa nalmente en fincas y, en forma industrial, en plantas procesadoras de leche.
El proceso de elaboración de la natilla El proceso de elaboración de la natilla, que se resume en el Esquema 4.3, es similar al de los otros productos lácteos mencionados. Poste riormente, se explica cada una de las etapas.
Para la fabricación de la natilla se utiliza la crema de la leche, especialmente de vaca. El contenido de grasa de la crema debe ser estan darizado a un 19% pAi aproximadamente, pa ra lograr un producto de buena calidad. Si la crema contiene una cantidad de grasa inferior, se puede agregar aceite de mantequilla para aumentarla; si por el contrario, contiene más grasa de la especificada, se adiciona leche des cremada o agua hasta alcanzar la concentra ción deseada. Además de la estandarización de la grasa, se debe aumentar el contenido de sólidos no grasos de la crema con el fin de me jorar la textura y la viscosidad del producto; para hacerlo, se añade leche descremada en una proporción entre el 1 y el 3% respecto de la crema. En algunos casos, se adicionan estabilizadores para mejorar el cuerpo del producto final. No se recomienda agregar más de un 0,5% de esta bilizador durante la etapa de estandarización.
La homogeneización En la elaboración de la natilla es importante la etapa de homogeneización, porque se distri buyen mejor los glóbulos de grasa presentes en la crema, lo que contribuye a dar al produc to final una apariencia agradable. El proceso se realiza a una presión de 3000 psi (2,1 x 104 kPa); la crema debe ser precalentada a 72 UC a p r o x i m a d a m e n t e (Revilla, 1982, ISO).
La pasteurización
Esquem a
80
4.3:
Las etapas del proceso de elaboración de la natilla.
Como se estudió en los otros productos lác teos, la pasteurización tiene como objetivos principales la eliminación de los microorga nismos patógenos que pueda contener la le che así como la creación de un ambiente pro
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picio para el buen desarrollo de los microor ganismos que se inoculan posteriormente. La pasteurización de la na tilla se realiza a dife rentes combinaciones de temperaturas y tiem pos, según el equipo de pasteurización con que se cuente. Por ejemplo, se puede llevar a cabo a 74 °C por treinta minutos o a 82 °C por dieci séis segundos (Reviiia, 1982,150). Las condiciones del proceso son más severas que en el caso de la leche, por el alto contenido de grasa: la gra sa es una mala conductora del calor y, por lo tanto, ejerce un efecto de protección sobre los microorganismos que se quieren inactivar.
La inoculación y la fermentación Antes de inocular el cultivo láctico, se debe enfriar la crema hasta una temperatura entre 20 y 22 °C, que es la óptima para el crecimien to de los microorganismos inoculados. El cultivo generalmente está constituido por una combinación de cepas de Enterococcus, Lactococcus lactis subespecie lactis o Lactococcus lactis subespecie cremoris y de Leucotiostoc citrovorum o L. dextramcum. El cultivo se añade en una concentración que varía entre el 0,5 y 2,0% v/v (respecto a la cantidad de crema de leche que se va a fermentar) y, a veces, se agre ga renina, en una concentración de 0,5 m¿/10 gal de crema, para ayudar al proceso de coa gulación. A partir de la adición del cultivo, empieza el proceso de fermentación, que se extiende por un periodo de catorce a dieciséis horas hasta que el producto alcanza una aci dez del 0,7%. Desde el punto de vista microbiano, el estrep tococo empieza a multiplicarse y produce, principalmente, el ácido láctico necesario para impartir el sabor ácido, coagular la leche y ba jar el pH. El pH ácido favorece el crecimiento de Leuconostoc, que genera, a partir de la hi
c m
>4: LOS PRODUCTOS LÁCTEOS
drólisis del ácido cítrico, los compuestos que proporcionan el aroma característico de la natilla: una combinación de diacetilo, ácido acé tico y ácido propiónico.
El enfriamiento Después de obtener la acidez deseada, es ne cesario detener la fermentación para que no se genere más áddo; de no hacerlo, el producto, por su sabor, no sería apto para el consumo. Para lograr que el metabolismo de los mi croorganismos se detenga, se disminuye la temperatura a 4 °C. Se recomienda mantener la natiila a esta temperatura durante cuarenta y ocho horas, con agitación lenta, para mejo rar su textura y cuerpo.
El empaque Una vez lista la natiila, se empaca y se refrige ra hasta su consumo. Los empaques que se utilizan son muy variados en tamaño; gene ralmente, son recipientes plásticos. También se encuentra la natiila empacada en bolsas plásticas, principalmente aquella elaborada en las fincas lecheras.
El
su er o de q u e s o
El rendimiento de queso durante su fabrica ción es, aproximadamente, un 10%: de cien li tros de leche utilizados en la fabricación de queso, el 90% se convierte en un líquido semi transparente conocido normalmente como suero. Esta sustancia, a pesar de ser una fuen te de alto valor nutritivo, ha sido descartada por muchos años y ha provocado serios pro blemas de contaminación ambiental. En el Cuadro 4.4 se presenta la composición prome dio del suero de queso.
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Cuadro 4.4
LA COMPOSICIÓN PROMEDIO DEL SUERO DE QUESO Componente
Lactosa Proteína Cenizas Grasa Ácido láctico Sólidos totales Agua
% p/v
% p/v
(1)
(2)
4,9 0,9 0,6
4,85 0,80 0,50
0,3
0,50 0,05 6,35 93,70
0,2 7,0 93,0
Fuentes: (1) Desrosier (1987, 455).
nocen como microorganismos de tercera genera ción, por sus propiedades. Incluyen básica mente bacterias y levaduras. Algunos de los microorganismos probióticos son: Bifidobacte rium longum, Bifidobacterium bifidum, Bifidobac terium in/antis, Pediococcus acidilactici, Lactoba cillus delbrueckii subespecie bulgaricus, Lactoba cillus acidophilus, Lactobacillus casei, Lactobaci llus reuteri, Propionibacterium freudenrichi y StreptOCOCCUS faecium (Ellner, 1997). Entre los productos probióticos se encuentran: •
El "yogur probiótico", que es fermentado con Lactobacillus acidophilus o Lactobacillus casei.
•
La "leche ácida probiótica", fermentada con Lactobacillus acidophilus y Bifidobacte rium sp.
•
El "Yakult", bebida proveniente de Japón que es preparada con ciento ocho cepas de Lactobacillus Casei (Ellner, 1997).
(2) Kosikowski (1977, 450).
Hasta la fecha, se han realizado numerosas in vestigaciones con el fin de aprovechar esta sustancia, y se han obtenido muy buenos re sultados. Por su composición, algunos de los usos del suero pueden ser: •
Fabricación de "quesos de suero", como el Ricotta.
•
Elaboración de medios de cultivo. Por la composición del suero, es posible el desa rrollo de microorganismos.
•
Producción de ácidos orgánicos, como el ácido láctico, el ácido acético y el ácido propiónico. Estos ácidos son los com puestos mayoritarios que se obtienen por vía fermentativa, a partir de la inoculación del suero con microorganismos.
•
Las ventajas del uso de los productos probióticos Es recomendable la utilización de los microor ganismos probióticos para la producción de leches fermentadas, porque brindan las si guientes ventajas: •
Se aumenta la digestibilidad de la leche fermentada, ya que muchos de los nutri mentos -com o la lactosa, las proteínas y las grasas- se consumen en forma predigerida. Además de la predigestión origi nada específicamente por la fermentación, los microorganismos probióticos sobrevi ven el paso por el tracto gastrointestinal y, ahí, liberan enzimas que ayudan en la di gestión final de los nutrimentos.
•
Se presenta un efecto que protege de las in fecciones intestinales, porque inhiben el d e
Alimentación animal. El suero se puede emplear, para este fin, tanto en estado lí quido como deshidratado.
LOS PROBIÓTICOS Probióticos es un término -d e reciente utiliza ción- que se aplica a productos obtenidos por fermentación con microorganismos benéficos para la salud. Estos microorganismos se co
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sarrollo de microorganismos patógenos y controlan el equilibrio de la flora putrefac tiva que habita normalmente en el colon. •
Se estimula el sistema inmunológico. Asi mismo, se tienen reportes de que una die ta complementada con productos probióticos reduce, entre un 25 y 30%, la apari ción de tumores en el colon (Céspedes, 1995).
•
Se ha encontrado una relación directa en tre el consumo de probióticos y la dismi nución del colesterol en el organismo, o sea, que estos microorganismos poseen actividad hipocolesterolémica.
Los requisitos de los microorganismos probióticos Los microorganismos probióticos se inoculan en una alta concentración (mayor que 107 UFC/mf )• Deben cumplir con una serie de re quisitos; entre ellos, los más importantes son: •
Mantener su viabilidad en las condiciones de preparación del alimento en el que se utilizan, por ejemplo, la presencia de azú cares y aditivos.
•
Mantener su viabilidad en las condiciones de extrema acidez en el estómago, y ser capaces de colonizar el intestino.
•
Tener una alta velocidad de crecimiento para dominar sobre los otros microorga nismos intestinales.
A pesar de que este tipo de productos es de amplia distribución en Europa, en Costa Rica casi no se producen, pues únicamente algunos tipos de yogur podrían ser clasificados como tales. Sin embargo, debido a que, en la actua lidad, los consumidores se preocupan más por la adquisición de alimentos que sean be néficos para su salud, posiblemente la canti dad de productos probióticos aumentará.
G#wio* LOS PRODUCTOS LÁCTEOS
EJERCICIOS DE AUTOEVALUACION
1. Enumere algunos productos que se obtienen por fermentación de la leche. 2. Cite las funciones de la pasteurización durante la elaboración de yogur. 3. En cuanto a la producción de yogur: a)
Describa las diferencias entre la producción industrial y la producción casera. Refiérase al tipo de microor ganismos y a las condiciones de temperatura y tiempo.
b)
¿Recomendaría usted la producción de "yogur" en forma casera? Explique.
4. Utilizando el Gráfico 4.1, Influencia de la temperatura sobre la proporción de las especies al final de la fermen tación, en un cultivo de yogur, determine la temperatura óptima de incubación para obtener un producto con una relación final de Streptococcus: Lactobacillus de 2:1. 5. Utilizando el Gráfico 4.2, Influencia de la cantidad de inoculo y el tiempo sobre la proporción de las especies al final de la fermentación, en un cultivo de yogur, determine la cantidad de cultivo que se debe inocular para obte ner un producto con una relación de Streptococcus: Lactobacillus de 2:1, después de dos horas de fermentación. 6. Mencione las etapas del proceso de fabricación de queso en las que intervienen microorganismos. 7. Explique la función de los cultivos iniciadores en la elaboración del queso. 8. En la elaboración del queso: a)
Defina lo que es un cuajo común y un cuajo microbiano.
b)
Indique cuál tipo de cuajo es el que se utiliza en la actualidad y las razones por las que se escogió.
9. ¿Por qué se debe ajustar la temperatura antes de la adición de cultivos de microorganismos y del cuajo, en la ela boración del queso? 10. Indique la principal diferencia entre la natilla y la crema dulce. 11. Nombre los compuestos que dan aroma y sabor a la natilla. 12. Mencione los usos que se le pueden dar al suero de queso. 13. Enumere las ventajas de los productos probióticos.
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FUENTES Y LECTURAS RECOMENDADAS
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In t r o d u c c ió n La carne es un alimento que contiene una gran variedad y abundan cia de nutrimentos, por lo que constituye un excelente medio para el desarrollo de los microorganismos. Si no se aplican controles ade cuados, los microorganismos adquiridos durante su manipulación o aquellos presentes en el ambiente, la deterioran rápidamente. Para contrarrestar la corta vida útil de los productos cárnicos, se han desa rrollado una serie de métodos de conservación, entre los que se pue den mencionar: • La refrigeración • El secado • El salado • El curado • La fermentación. También se efectúan combinaciones de ellos. El método de curado, por ejemplo, inicialmente consistió en adicio nar sal a la carne y, con el transcurso del tiempo, se han añadido otras sustancias que, además de conservar el producto, mejoran su sabor. El curado se aplica a piezas de carne entera (jamones) y también a los conocidos y gustados embutidos. Existen muchos procesos de obten ción de embutidos, como lo confirma la gran cantidad de ellos dispo nibles en el mercado. Entre los embutidos se encuentran los fermen tados, que se estudiarán en este capítulo. Se considerará su historia, la microbiología y la bioquímica de su fermentación, así como el pro ceso general para su elaboración.* •
Si desea más información sobre el proceso general de elaboración de embuti dos, puede obtenerla en Price y Schweigert (1976), o en Paltrinieri (1978).
O w ftuo* LOS EM BU TID O S FERM ENTADOS
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üopyrignted material
Como se indicó, la carne tiene una vida útil muy corta, porque contiene gran cantidad de elementos y compuestos que permiten a los mi croorganismos desarrollarse y, al hacerlo, dete rioran el producto aceleradamente. Por este motivo, desde tiempos antiguos, el ser humano ha buscado la forma de preservar y transformar esta clase de alimentos mediante diversos mé todos; uno de ellos es la fermentación de la car ne para la producción de embutidos fermentados. En investigaciones realizadas, se detectaron indicios de que los embutidos constituían un alimento popular en las civilizaciones griega y romana (Bonilla a ai, s í ). Durante la Edad Me dia, la fabricación de embutidos tuvo gran au ge en varios lugares de Europa, de ahí que los nombres de algunos productos sean los de las ciudades de las que provienen. En esa época, la refrigeración artificial no se conocía ni se había desarrollado la industria del enlatado; la carne que se quería conservar era mezclada con sal, empacada en los intestinos (tripas) de los animales y, luego, sometida a un proceso de secado en unos cuartos especiales. El pro ducto que se obtenía poseía características di ferentes del original; en la actualidad, se sabe que la transformación sufrida por la came era causada por microorganismos que provenían de los intestinos de los animales, de la mani pulación y del aire presente en los cuartos de secado. En muchos casos, el embutido, en lu gar de convertirse en un producto de agrada ble aroma y sabor, se deterioraba. Poco a po co, los hombres seleccionaron la forma de ela borar el producto cárnico, a pesar de que no conocían el fundamento científico de la trans formación. Por este motivo, se dice que la fer mentación de la came es una de las fermenta ciones tradicionales, y que se dio en forma cir cunstancial mediante "prueba y error". El descubrimiento de los microorganismos y la determinación de su acción en los alimentos
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durante el siglo XIX han permitido al ser hu mano entender y manipular los procesos de fermentación de los productos cárnicos. En la segunda mitad del siglo XX, la introducción de cultivos iniciadores garantizó una alta cali dad en el embutido, no solo en su sabor y su aroma, sino en su estabilidad y en la prolon gación de su vida útil. En la actualidad, exis te un alto número de microorganismos paten tados, que se pueden usar específicamente pa ra obtener un producto cárnico fermentado con características determinadas previamente.
LOS EMBUTIDOS FERMENTADOS La fabricación de embutidos depende de mu chos factores, por lo que es muy difícil clasifi car estos productos. Price y Schweigert (1976) hacen una división de ellos con base en el tra tamiento térmico que reciben, y es la que se ex pone en el Esquema 5.1. Los embutidos ferm en tados se incluyen en la parte denominada "Se cos y semisecos" y pueden ser ahumados o no.
Embutidos
Esquema 5.1:
Clasificación general de los embutidos con base en el tratamiento térmico. Fuente: Price y Schweigert (1976, 495).
Los embutidos fermentados, también conoci dos como embutidos madurados, tienen un sa bor intenso y persistente, que lo causa el ácido láctico y otros compuestos producidos por la fermentación (generalmente bacteriana). Se elaboran con came de cerdo, came de res o combinaciones de ellas. Existe una gran va riedad de embutidos fermentados (secos y seM i c r o b i o l o g í a i n d u s t r i a l / A licia . H ík n á n d íz
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Carne y grasa
Esquem a
5.2:
Las etapas del proceso general de elaboración de un embutido fermentado.
La selección de la carne y la grasa La carne que se utiliza para hacer embutidos puede ser de res o de cerdo; su selección se realiza con base en el producto por elaborar. Se pueden utilizar mezclas de ellas, por ejem plo, en los embutidos alemanes (thuringer) y en los italianos (salami) se emplea una mezcla de carne de res y de cerdo. Los animales deben estar sanos y bien nutri dos; antes del sacrificio, no deben haber sido sometidos a actividades tensas ni cansadas, ya que esto afecta la calidad del producto ela borado.
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Una vez sacrificado el animal, el glucógeno (material de reserva de energía) presente en la carne, se desdobla principalmente por vía en zimàtica para convertirse en ácido láctico, lo que provoca una disminución en el pH. El grado de acidificación que se alcance depende de la cantidad de glucógeno que tiene el ani mal en el momento del sacrificio y de la tem peratura a la que se almacene la carne; sin em bargo, en un proceso normal, el pH desciende a valores cercanos a 5,8. Si el animal ha sido sometido a fuertes periodos de stress o ejerci cio antes de la matanza, no habrá mucho glu cógeno para ser transformado cuando el ani mal muere y, por lo tanto, el pH de la carne no disminuye en gran medida. Por el contrario, si hay mucho glucógeno de reserva, el grado de acidificación que se puede alcanzar es alto. Cuando se utilizan cultivos iniciadores en la elaboración del producto fermentado, se pue de emplear carne fresca, cuyo pH promedio es de 6,2. Si no se van a emplear cultivos inicia dores, es recomendable utilizar una carne cu yo pH haya descendido hasta un valor apro ximado de 5,8. La grasa es adicionada como tocino fresco y congelado para evitar alteraciones provoca das en el producto por enranciamiento.
La congelación Es importante que la carne y la grasa estén muy frías durante el proceso para poder cor tar la grasa en pedazos sin que esta se derrita; por lo tanto deben congelarse a una tempera tura que oscile entre - 3 y -1 "C.
El picado de las materias primas El picado de la carne y el tocino se lleva a ca bo en una máquina cortadora, comúnmente
M ic r o b io lo g ía in d u s t r ia i / A
l ic ia
H
ern á n d ez
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El secado Una vez terminado el proceso de fermenta ción, los e m b u t i d o s s e c o s se colocan en cámaras de secado por aire a una temperatura entre los 12 y 15°C, y a una humedad relativa entre el 65 y 75%. Es importante verificar la velocidad del aire, porque si es muy alta, se pueden pro ducir defectos por secado excesivo, como la formación de capas superficiales por la rápida pérdida de humedad; si, por el contrario, du rante el secado, la velocidad del aire es lenta o los embutidos colgados se encuentran muy juntos, la humedad se puede quedar en la su perficie y generar el crecimiento de microor ganismos indeseables. Los e m b u t i d o s s e r n is e c o s , en general, no son secados posteriormen te, sino son cocidos; al cocerlos, las proteínas de la carne se coagulan y se inactiva la activi dad microbiana. Investigue si en Costa Rica se elaboran embutidos fermentados. Puede solicitar información en las industrias procesadoras de embutidos. Confeccione un diagrama de proceso de algún producto que se elabore en una de estas industrias.
L a MICROBIOLOGÍA
y
LA BIOQUÍMICA
DE LA FERMENTACIÓN DE EMBUTIDOS
El proceso de fermentación de los embutidos La fermentación de los productos cárnicos no ha sido estudiada tan extensamente como la de los productos lácteos y la que se lleva a ca bo para la obtención de bebidas alcohólicas. Al principio, en los años cincuentas, la adición de cultivos iniciadores no tuvo gran acepta ción, ya que se prefería la fermentación natu ral y, en esa época, se conocía más acerca de
M im os. LOS EM BU TID O S FERM ENTADOS
las desventajas de los microorganismos que de sus beneficios. La fermentación de las carnes también se co noce como m a d u r a c i ó n . En el caso de los pro ductos embutidos fermentados, se inicia una vez que la carne ha sido embutida; se efectúa con la flora asociada al animal sacrificado y con la que ha sido adquirida durante todo el proceso (la que proviene de las personas que los manipulan, de los utensilios que emplean y del aire del cuarto de embutido). Esta fer mentación se puede realizar en forma más controlada si se utilizan c u l t i v o s i n i c i a d o r e s . La fermentación depende del tipo y de la can tidad de microorganismos que se utilicen y de la temperatura a la cual se ejecute: cuan do ocurre a una temperatura menor que los 15 °C, se conoce como f e r m e n t a c i ó n l e n t a ; si la temperatura del proceso fluctúa entre los 15 y 20 °C, se tiene una f e r m e n t a c i ó n m e d i a y si se realiza a 25 °C o más, se denomina f e r m e n t a c ió n r á p id a .
En una fermentación lenta, hay un desarrollo del aroma y un enrojecimiento lentos y la con sistencia del embutido se genera muy despa cio; sin embargo, se adquiere una coloración más intensa y de mayor estabilidad, así como un mejor sabor. Por medio de la fermentación rápida, los em butidos están disponibles para ser vendidos en un menor tiempo, lo que económicamente le resulta beneficioso al productor; pero, este tipo de fermentación presenta los siguientes inconvenientes: el color del producto es me nos estable, el sabor es más fuerte y los mi croorganismos que deterioran el producto se desarrollan mejor a las temperaturas altas que se emplean en ese proceso. Cuando el proceso de la fermentación se lleva a cabo con la flora asociada, al inicio, todos los
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M a te ria p rim a
sado que comúnmente se observa en los em butidos: Nitrosomioglobina + Calor —> N itro$ohem oavm o
El Esquema 5.3 resume el proceso de colora ción.
Esquema 5.4:
Esquema 5.3:
La formación de los compuestos respon sables del color en los embutidos. Fuente: Guerrero (1993, 235).
Los
PROCESOS ESPECÍFICOS
DE ELABORACIÓN DE DOS EMBUTIDOS FERMENTADOS
El salami duro El salami, un embutido seco que posee un al to consumo en Europa, es elaborado con car ne de res y tocino de cerdo (picados finamen te), azúcar, nitrito de sodio, sal, especias y condimentos. El producto se somete a deseca ción, fermentación y, en algunos casos, al ahu mado. En el Esquema 5.4 se muestran las eta pas para su elaboración.
GtfftUOS: LOS EM B U T ID O S FERM ENTADOS
la s etapas del proceso de elaboración del salami duro.
La carne que se emplea en el salami debe es tar refrigerada antes de cortarla; se corta en pedazos de aproximadamente cinco centíme tros de lado. Estos trozos se muelen y se aña de el resto de los ingredientes. La masa se mezcla bien y se embute en las tripas. Los sa lamis se cuelgan en cámaras donde se lleva a cabo la fermentación, a una temperatura entre los 22 y 24 °C y una humedad relativa entre el 80 y 90%. Luego, el embutido permanece en estas cámaras, pero a una temperatura de 5 °C y una humedad entre el 60 y 70%, hasta que alcance un pH de 5,0 o menor. Cuando se utilizan cultivos iniciadores, las condiciones de temperatura, humedad relati va y tiempo de fermentación pueden variar, según los microorganismos presentes en el cultivo, por lo que es muy importante seguir las instrucciones del manejo del cultivo que indica su distribuidor.
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CAPITULO 6
.
't m
LAS BEBIDAS ALCOHÓLICAS Sum ario
Introducción La cerveza El vino Las bebidas destiladas
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Corte transversal
Corte longitudinal
c)
a) F ig u r a 6 .1 :
La espiga y el grano de cebada, a) Espiga de cebada, b) Corte transversal de la espiga, c) Grano de la cebada.
La malta Como se mencionó, la cebada ha sido siempre el cereal seleccionado como la materia prima principal de la cerveza. La cebada, que perte nece a la familia de las gramíneas, es parecida al trigo y su nombre científico es Hordeum spontaneum. En la Figura 6.1 se muestran di bujos de la espiga y el grano de la cebada. De acuerdo con la cantidad de hileras de gra nos que se encuentran, existen dos subespecies de espigas de cebada: • La espiga de dos hileras: es utilizada principalmente en Europa. Tiene los gra nos más desarrollados que la de seis hile ras, por lo tanto, posee más proporción de carbohidratos y el rendimiento es mayor. Su cáscara es más delgada y, como conse cuencia, la cantidad de sustancias que pueden deteriorar la calidad de la cerveza {localizadas en la cáscara) es menor. •
La espiga de seis hileras: es llamada ce bada de invierno. Tiene los granos menos desarrollados que la de dos hileras; sin embargo, presenta mayor contenido de enzimas, por lo que es principalmente em
OtfWuoí. LAS BEBIDAS ALCOHÓLICAS
pleada cuando se utilizan "adjuntos" (este término se explica en la sección siguiente). En la Figura 6.1.a, se observan cortes transver sales de estos dos tipos de espiga. La preparación de la malta o malteo es, básica mente, la germinación inducida de la cebada para que se formen las enzimas responsables de la hidrólisis de los carbohidratos. Este pro ceso se lleva a cabo en los países productores de cebada y consta de tres pasos: a) El grano de cebada se remoja hasta que el contenido de humedad se encuentre entre el 42 y 46%. Esta etapa sirve, a la vez, pa ra eliminar la suciedad de la cebada. b) Cuando el grano de cebada absorbe el agua, se induce la germinación: se modi fican las paredes celulares y se activa la formación de enzimas (en particular amilasas y proteasas) que empiezan a des componer el almidón y la protema presen tes. Para abastecerse de la energía que re quiere este proceso, la semilla empieza a respirar (consume oxígeno y genera calor y dióxido de carbono). Con el fin de asegu rar el suministro de oxígeno y eliminar el
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La elección y el control del tamaño de las par tículas de la harina influyen mucho en la efi ciencia de los pasos posteriores de extracción de sustancias y separación de la cáscara. En tre menor sea el tamaño promedio de la hari na va a existir un mayor contacto entre las en zimas y los sustratos, y la extracción será me jor; sin embargo, una molienda muy fina re ducirá demasiado la cáscara del grano de la cebada, que es una de los principales constitu yentes del residuo, y la operación de separa ción se hace más difícil. Debe seleccionarse un tamaño intermedio que asegure una apro piada extracción y una buena separación. Hoy, en la práctica, existen dos sistemas de molienda: molido en seco, con acondiciona miento de la cáscara, y molido en húmedo. En el molido en seco, la malta es ligeramente hu medecida con agua líquida o en forma de va por, inmediatamente antes de ser molida; en el molido en húmedo, la malta es puesta en remojo antes de la molienda. Ambos métodos poseen ventajas y desventa jas, por lo que la selección está en función de las características de la cervecería.
empleada varía de una cervecería a otra, pues depende de aspectos como la naturaleza del cereal utilizado, las características del produc to deseado, y el tipo y la capacidad del equipo. Cuando se utilizan adjuntos sólidos, como puntilla de arroz, se tratan primero en un tan que aparte -llamado macerador de adjuntospor medio del siguiente procedimiento: a) Al adjunto sólido se le añade una pequeña porción de malta, que proporciona las enzi mas para que se lleve a cabo la maceración. b) La mezcla se calienta hasta ebullición pa ra gelatinizar el almidón. c)
La mezcla se descarga gradualmente en el macerador principal (con lo que, además, se logra incrementar la temperatura del contenido del macerador).
Esta forma de lograr la maceración (con ad juntos) se llama proceso de infusión con doble macerador, y es la que se utiliza en la mayoría de los países de América, incluyendo Costa Rica. El Diagrama 6.2 muestra los dos maceradores del proceso.
La maceración En esta etapa se pone en contacto la malta mo lida con el agua, lo que permite que las enzi mas (formadas durante la germinación) de graden los constituyentes de la malta (carbo hidratos y proteínas) a formas solubles y, en tonces, se origina el líquido que se va a fer mentar, denominado mosto. La mezcla de agua y malta se somete a un ca lentamiento gradual en el macerador, nombre que se le asigna al tanque donde se lleva a ca bo el proceso de maceración. La temperatura
Cumio 6: LAS BEBIDAS ALCO H Ó LICAS
D ia g ra m a
6.2: Los maceradores involucrados en la infusión con doble macerador. Fuente; Adaptado de Teufel (1993).
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El llenado y la pasteurización La cerveza filtrada y carbonatada se deja en tanques cerrados; entre el líquido y la tapa se encuentra un espacio con dióxido de carbono gaseoso, que crea una determinada presión so bre la bebida y, así, ayuda a mantener la con centración del gas disuelto. Luego, se traslada al departamento de llenado para ser envasada en botellas, latas o barriles. Las líneas de llena do (Esquema 6.2 y Ilustración 6.4) están forma das por una serie de máquinas y bandas traasportadoras que, en forma automatizada, enva san gran cantidad de producto a alta velocidad y con el empleo de poco personal. Cuando se utilizan botellas reciclables, se so meten a un proceso de limpieza con una diso lución caliente de hidróxido de sodio al 1 ó 2% pA' en máquinas lavadoras especiales.
rioro del producto envasado. Para evitarlo y alargar su vida útil, la cerveza envasada se pasteuriza. Existen grandes túneles de pasteu rización que lanzan chorros de agua a diferen tes temperaturas. Al pasar por el túnel, la cer veza embotellada se va calentando hasta lle gar a los 60 °C; luego, se enfría hasta la tempe ratura ambiente. La cerveza cruda o de barril no es pasteurizada; a ello se debe las diferencias en el sabor (más fresco) y la estabilidad (menor) respecto a la pasteurizada. Una cerveza cruda puede tener una vida útil de un mes; si se pasteuriza, au menta a seis meses. Como existen muchos clientes que prefieren la cerveza cruda, algu nas empresas han desarrollado una línea esté ril, que en inglés recibe el nombre de draft, pa ra ofrecer cerveza cruda en lata o botella.
El deterioro de la cerveza La cerveza, durante el proceso de elaboración, puede tener tres tipos de deterioro: microbiológico, químico y físico.
El deterioro microbiológico
I lu st r a c ió n 6 .4 :
Sección de la línea de llenado de latas. (Instalaciones de la Cervecería Costa Rica).
Las máquinas llenadoras se encuentran dise ñadas con un sistema de válvulas que permi te ejecutar la operación en condiciones de cier ta presión de dióxido de carbono, para evitar que la cerveza pierda parte del gas que se le ha incorporado o adquiera oxígeno del medio. La cerveza que se envasa no es totalmente es téril: posee una pequeña cantidad de mi croorganismos que pueden producir el dete
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Los problemas de contaminación de la cerveza por microorganismos indeseables se han lo grado minimizar, al implantar estrictas medi das higiénicas en las diferentes etapas del pro ceso de obtención. Además, los microorganis mos que pueden contaminar el mosto lupulado o la cerveza son pocos, gracias al contenido de alcohol, el pH y el efecto antimicrobiano de algunos componentes del lúpulo. Por estas ra zones, aunque el producto no se pasteurice, los riesgos de contaminación son bajos. Los microorganismos indeseables más comu nes son: las levaduras silvestres, las bacterias lácticas de los géneros Lactobacillus y Pediococ-
M ic ro b io lo g ía in d u s tria i / I leana A lfaro
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tituía la Unión Soviética) y la templada (Alta Rioja de España, Portugal, el norte de Francia, Alemania, Suiza, Austria, Hungría, y otra par te de Yugoeslavia y de las repúblicas que per tenecían a la Unión Soviética). Los vinos pro venientes de cada una de estas regiones son diferentes: los de la primera son suaves, de baja acidez, su contenido alcohólico es relati vamente alto y poseen un aroma poco abruta do. Los de la zona templada presentan mayor acidez, menor contenido alcohólico, y sus aro mas, afrutados, son sutiles y delicados, por lo que se consideran los vinos más finos. Un aspecto que influye en las propiedades del vino es la condición climática a la que fueron sometidas las uvas durante su cultivo: este es el factor responsable de la variación en la cali dad de los vinos de una cosecha a otra, aun cuando se hayan elaborado en un mismo sitio y por medio de procesos idénticos. Para producir vino de alta calidad, la uva d e be cosecharse en estado de total madurez, lo que desafortunadamente es muy difícil de l e g ra r p o r las re striccio n es del m e d io o p o r la
dificultad de detectar ese estado óptimo de re colección. Como cualquier otra fruta, el grado de madurez se puede caracterizar por la rela ción de los contenidos de azúcar (DBrix) y de ácido (pH): durante el crecimiento, el conteni do de ácido aumenta, pero empieza a dismi
nuir en la maduración. El punto máximo en la curva de acidez es señalado como el inicio de la maduración; se reconoce por el cambio de color en la fruta, acompañado del incremento en el contenido de azúcar. El Cuadro 6.5 muestra las características ópti mas para las uvas que van a ser utilizadas en la elaboración de algunos tipos de vinos. Conociendo el contenido de azúcares y el pH de la fruta que se va a cosechar, se puede esti mar si la acidez es la correcta para la fermen tación y la estabilización del vino terminado, y también el porcentaje de alcohol que se lle ga a obtener.
La levadura Al igual que en la cerveza, la levadura más empleada para fabricar el vino es la S. cereuisiae. Dentro de esa especie, las mejores varie dades vínicas son la ellipsoideus y la pastoríanus, que se diferencian de las de la cerveza en cuatro características: •
Tienen formas elípticas o alargadas
•
Tienen una menor capacidad fermentativa
•
Pueden seguir fermentando en concentra ciones de alcohol más elevadas (hasta 18% v/v)
Cuadro 6*5 LOS PARÁMETROS RECOM ENDADOS PARA LAS UVAS
DESTINADAS A LA ELABORACIÓN DE VINOS cBri\
Acidez minima (pH)
°Br¡x/acidez
Blanco
19,5-23,0
0,70
27,9-33,0
Tinto
20,5-23,5
0,65
31,5-36,2
Dulce
22,0-25,0
0,65
33.8-38,5
Povlre
23,0-26,0
0,50
46,0-52,0
Típo de vino
Fuente: García e iá i (1993,291).
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M i c r o b i o l o g í a i n d u s t r i a l / Il f a n a A l f a r o
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•
Impedir la acción de enzimas oxidasas so bre los taninos y los colorantes
frado, el mosto se deja reposar y las partículas pesadas se depositan en el fondo.
•
Acidificar el medio, porque forma ácido sulfuroso (H2S 0 3).
Cuando se requiere una clarificación mejor, se pueden usar otros métodos más complejos, como la filtración o la centrifugación con la adición de agentes especiales tipo gelatina, enzimas pectinolí ticas, bentoníta o carbón ac tivado (para eliminar olores desagradables).
La cantidad de dióxido de azufre que se debe agregar al mosto depende de numerosos fac tores: la clase del vino por elaborar, la concen tración de azúcares, el pH, el estado sanitario de la vendimia, el volumen de los recipientes, el procedimiento de vinificación y la posibili dad de refrigeración. En agua pura, son sufi cientes cinco gramos por hectolitro para inter ferir en la actividad de las levaduras; sin em bargo, en los mostos se debe aumentar la do sis entre veinticinco y treinta veces (se agre gan de ciento veinticinco a ciento cincuenta gramos por litro) para lograr iguales resulta dos, ya que parte del dióxido de azufre se combina con otros constituyentes. Sin embar go, si se adiciona en exceso, puede ocasionar que el vino adquiera un sabor indeseable a sulfuro de hidrógeno (H2S). El dióxido de azufre se obtiene mediante la quema de azufre puro o por la disolución de sus sales; también, se emplean las soluciones líquidas del compuesto. El uso del meta bi sulfito de potasio proporciona dos ventajas: la facilidad para adquirirlo, manipularlo y agre garlo, y la precisión que se puede lograr en la cantidad agregada; pero, tiene el inconvenien te de aportar a los vinos un exceso de potasio.
La clarificación del mosto El mosto resultante del prensado puede estar cargado de suciedad procedente de las uvas o del equipo utilizado: partículas sólidas, gru mos, esporas y otras sustancias. Esta sucie dad debe eliminarse para realizar una fermen tación limpia, y la forma más sencilla de ha cerlo es por sedimentación. Después del azu
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El calentamiento del mosto Con la idea de inactivar las enzimas que favo recen la oxidación, eliminar los microorganis mos indeseables y estabilizar las proteínas, el mosto se somete a un calentamiento de corta duración a 87 °C, seguido de un enfriamiento rápido a 15 °C.
La corrección del contenido de azúcar y la acidez Como se mencionó, los contenidos de azúca res y ácidos del mosto determinan las caracte rísticas finales del vino; si es necesario corre girlos, es preferible modificarlos en el mosto y no en el vino. En los vinos de calidad estos dos valores se encuentran muy regulados, las adiciones son muy controladas y, en algunos casos, solo se permite trabajar con los paráme tros establecidos para la uva en condiciones normales. Generalmente, se utiliza sacarosa como enriquecedor; el rendimiento de su transforma ción en alcohol depende de las condiciones de la fermentación. La cantidad necesaria de es te sustrato se determina con base en los datos del peso específico del mosto y la cantidad fi nal de alcohol total que desea alcanzarse. El azúcar que se va a agregar se diluye con una cantidad de mosto tres o cuatro veces mayor; la mezcla se agita hasta que la dilución sea to-
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EJERCICIOS DE AUTOEVALUACION
1.
Establezca las diferencias entre la cerveza, el vino y el ron, en cuanto a: •
Presencia de los procesos de fermentación y destilación en su ela boración
•
Principal materia prima empleada para su elaboración y contenido en ella de los azúcares fermentables
•
Contenido de alcohol.
2.
Describa las diferentes formas de expresar los contenidos de alcohol en las bebidas alcohólicas.
3.
Con la información del capítulo complete el siguiente cuadro: Cerveza
Vino
Materias Primas Microorganismo termentador ¿Cómo se elabora el mosto? ¿De acuerdo con el proceso de elaboración, cuáles son los dos principales tipos de bebida? ¿En qué difieren principalmente esos dos tipos? Nombre de los tipos de termenta dores que se usan
4. Elabore un esquema con las etapas básicas de los procesos de elabora ción de la cerveza y el vino. 5. Describa tres defectos y tres enfermedades que pueden presentarse en el vino. Incluya información sobre los efectos o síntomas, las causas, y las formas de prevenirlos o eliminarlos.
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Cuadro 7.1
LA CLASIFICACIÓN DE LOS VINAGRES, CON BASE EN LA MATERIA PRIMA •Materia prima
Método de obtención
Vinagre de vino
Vino
Fermentación acética del vino obtenido por fermentación alcohólica del jugo de uvas
Vinagre de malla
Malta de cebada
Fermentación alcohólica de la malta de ce bada y posterior fermentación acética del producto
Vinagre de vino de fruía
Vinos de frutas
Fermentación acética de los vinos obteni dos por fermentación alcohólica del jugo de frutas diferentes de la uva
Vinagre de sidra
Jugo de manzana
Fermentaciones alcohólica y acética del ju go de manzana
Vinagre de espíritu
Alcohol destilado
Fermentación acética del alcohol destilado
Vinagre de frutas
Frutas
Fermentaciones alcohólica y acética de un tipo de fruta madura
Nombre del vinagre
zar el estudio de este material, realice la si guiente actividad:
I
Materia prima (fruta)
Visite algunos supermercados, revise las etiquetas y apunte la composición de cinco marcas de vinagre que se expendan. Construya un cuadro que muestre los contenidos y las marcas. Comente las diferencias y similitudes entre ellos.
El proceso de elaboración de vinagre a partir de frutas Como se mencionó, la elaboración de vinagre se puede dividir en dos etapas: •
La fermentación alcohólica de la materia prima que contiene azúcares
•
La fermentación acética del alcohol pro ducido.
El procedimiento por seguir en cada etapa de pende de: la materia prima, los microorganis mos utilizados y las condiciones ambientales. Si la materia prima es una fruta, las etapas del proceso general se exponen en el Esquema 7.1.
Vinagre Esq u em a 7 .1 :
CMíwio7: LA PRODUCCIÓN DE VINAGRES Y VEGETALES FERMENTADOS
Las e tap as d el p ro ce so d e e la b o ra c ió n de vinagre a partir de una fruta.
__________159
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El proceso de elaboración del sauerkraut es bas tante sencillo. Sus etapas se resumen en el Es quema 7.2 y se describen a continuación. Repollo
El picado El repollo se pica con una cortadora en reba nadas de 0,1 cm de grosor aproximadamente; de esta forma, se aumenta en gran medida el área superficial, lo que beneficia tanto la ex tracción de los líquidos del repollo como el desarrollo de los microorganismos.
La adición de sal Las principales funciones de la sal en el proce so de elaboración del sauerkraut son las si guientes:
Esq u em a
7.2:
Las etapas del proceso de elaboración del sauerkraut.
El acondicionamiento Al inicio, se eliminan las hojas superficiales del repollo; luego, se parte en dos y se le ex trae el corazón. Posteriormente, el repollo se lava para eliminar la suciedad que pueda con tener y, así, evitar la contaminación con mi croorganismos indeseables. Es importante mencionar que no se debe adicionar ningún aditivo al agua, como doro, ya que podría eli minar por completo los microorganismos que se encargarán de la fermentación.
•
Extraer -del repollo- el agua, los azúcares, las proteínas y otras sustancias que son utilizadas por los microorganismos para su desarrollo.
•
Favorecer la fermentación láctica, ya que inhibe el crecimiento de otros microorga nismos.
•
Contribuir al sabor, el aroma y la firmeza del producto final.
El repollo se debe mezclar muy bien con la sal. Normalmente, se utiliza ima concentración de un 2,5% p/p (2,5 kg de sal por cada 100 kg de repollo y sal). Una concentración mayor favo rece la extracción de jugos del repollo así co mo la firmeza del producto final; sin embargo, puede inhibir los microorganismos partici pantes en la fermentación. Luego, el repollo se coloca en el termentador (puede ser un re cipiente plástico). La fermentación se inicia cuando, por efecto del contacto entre la sal y el repollo, se extraen los jugos de este último y se forma una sal muera, es decir, una disolución de la sal en el jugo del repollo. En esta salmuera están di sueltos los nutrimentos necesarios para el de sarrollo de los microorganismos.
cwruto7'. LA PRODUCCIÓN DE VINAGRES Y VEGETALES FERMENTADOS
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La preparación del medio Una vez fermentados los vegetales, se prepara el encurtido o medio con el que se mezclarán. El medio se formula a partir de vinagre, ácido acético o mostaza; además, se le agregan otros compuestos. La formulación de un medio con ácido acético se expone en el Cuadro 7.3.
La mezcla de vegetales con el medio preparado Los vegetales se mezclan con el encurtido pre parado en una proporción 60:40, es decir, el 60% del peso corresponde a los vegetales y el resto al medio. La mezcla se calienta hasta ebullición y, luego, sin dejar que se enfríe, se envasa.
Cuadro 7.3
LA FORMULACIÓN DE UN MEDIO PARA ENCURTIDOS
•
Ingrediente
Concentración (g/< )
Ácido acético
0,25
Sal
0,15
Azúcar
0,40
Bisulfito de socio
0,20
Laurel
0,2*
en ftVg de vegetale*
Fuente: Bonilla et a/, (s.f., 50j.
o n 7VX0 7 :
El empaque y el enfriamiento Los encurtidos se envasan en recipientes de vidrio o en bolsas plásticas. Los recipientes deben ser esterilizados previamente, por me dio del procedimiento que se indicó en el pro ceso para la elaboración del repollo ácido. El llenado, como se mencionó, se realiza en caliente, y el recipiente se debe tapar inmedia tamente; luego, se deja enfriar a la temperatu ra ambiental. Mediante este tratamiento, se logra un envasado al vacío, ya que el vapor originado por el producto caliente expulsa el aire y ocupa su lugar dentro del recipiente; cuando el frasco se enfría, el vapor se conden sa y se genera un varío.
LA PRODUCCIÓN DE VINAGRES Y VEGETALES FERMENTADOS
169
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CAPITULO
LA PANIFICACION i 1
S u m a r io
Introducción Los ingredientes utilizados en la e la b o ra c ió n
del
pan
El proceso de elaboración del pan
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Las gluteninas y las gliadinas representan el 85% de las proteínas de la harina de trigo; se combinan con el agua para formar el "gluten", que permite a la masa retener el gas. Las glu teninas hidratadas forman una masa muy elástica, mientras que las gliadinas configuran una masa más fluida, viscosa y poco elástica. Por lo tanto, las gluteninas son responsables de la elasticidad de la pasta, es decir, su capa cidad de estirarse y recuperar su apariencia original, mientras que las gliadinas le adjudi can su extensibilidad. Estas dos proteínas se encuentran en proporciones similares y, cuan do hay variaciones, la influencia de cada una de ellas se percibe en el pan. Para conocer la textura del gluten, realice la si guiente actividad.
•
El azúcar El azúcar tiene una serie de funciones impor tantes en la elaboración del pan; las principa les son: •
Favorece el sabor.
•
Es el causante de la generación del color dorado de la corteza del pan al hornearlo. Esto es debido al compuesto llamado melanoidina, resultante de la reacción entre los azúcares y los grupos amino de las proteínas.
•
Ayuda a retener la humedad del pan una vez horneado, debido a su propiedad hi groscópica.
•
Es el sustrato que utilizan las levaduras para su metabolismo. El almidón de la ha rina es hidrolizado en azúcares por las en zimas presentes en ella, pero el proceso de hidrólisis del almidón es lento y gradual. Entonces, para que, al inicio, la levadura se reproduzca rápidamente, es necesario adicionar azúcar. Otra razón para agregar azúcar es que la concentración inicial de monosacáridos y disacáridos no supera el 0,5%, lo cual es insuficiente para mantener una velocidad adecuada de fermentación.
Moje un poco de harina con agua, colóquela en un colador y amásela con más agua hasta que el agua de lavado sea transparente y se obtenga una masa hulosa y resistente. Esta masa es el gluten.
La sal La sal se le agrega a muchos alimentos prepa rados; el pan es uno de ellos. Las funciones de este ingrediente en el pan se citan a continua ción. •
Mejora su sabor, ya que la sal resalta los sa bores de algunos de los otros ingredientes.
•
Contribuye a mantener la humedad del pan una vez horneado, a causa de su alta higroscopicidad (capacidad de absorber agua de la atmósfera).
•
Fortalece la retención del gas y facilita el manejo de la masa, porque estabiliza y contrae el gluten.
(M im o8: LA PANIFICACIÓN
Ayuda en el control del proceso de fer mentación. Cuando se requiere que la fer mentación sea lenta, se adiciona una ma yor cantidad de sal (siempre dentro de ciertos límites para que no afecte negati vamente el sabor), ya que la sal limita el crecimiento de la levadura y restringe el crecimiento de otros microorganismos in deseables.
[
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OBJETIVOS
a)
Definir el concepto de proteína unicelular,
b)
Explicar el proceso de producción de la protema unicelular y el de los hongos comestibles.
c)
Indicar, respecto de la proteína unicelular, los hongos comesti bles, los ácidos orgánicos y las enzimas:
192
•
Los microorganismos involucrados en cada proceso.
•
Los sustratos adecuados para el desarrollo de cada microorga nismo.
•
Las condiciones ambientales óptimas tpH, temperatura, oxí geno, entre otras) para que los microorganismos crezcan, en el caso de la producción de biomasa, o metabolicen el com puesto deseado.
•
La utilidad industrial.
M ic r o b io l o g ía in d u s t r ia i / A L IC IA H l k n á n d é z
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5% en las levaduras producidas a partir de alcanos y un 15%, en las bacterias obteni das del sustrato metanol. Como se men cionó, el consumo de ácidos nucleicos es perjudicial al ser humano; en ese caso, se deben eliminar estos ácidos de la proteína. Por el contrario, la mayoría de los anima les son capaces de metabolizar los ácidos nucleicos y excretarlos en la orina, por lo que su presencia no es un inconveniente. •
La presencia de sustancias tóxicas. Exis te la posibilidad de que el microorganis mo contenga restos del sustrato, ya sea in ternamente o como contaminación, lo cual es peligroso si el sustrato utilizado para la producción de PUC es tóxico, como lo son algunos hidrocarburos; otras veces, el mi croorganismo puede producir metabólicamente sustancias tóxicas. Por lo tanto, se deben hacer pruebas exhaustivas para comprobar la ausencia de compuestos tó xicos en el producto.
Para ilustrar la producción de microorganis mos como objetivo principal de la fermenta ción, realice la siguiente actividad. Mencione algún proceso en el que se produzcan microorganismos, en forma masiva, en el país. Especifique su destino final.
L a PRODUCCIÓN DE HONGOS COMESTIBLES
La producción de setas u hongos de sombrero El consumo humano de hongos cultivados se practica desde antes del nacimiento de Cristo, principalmente en los países asiáticos. En el Cuadro 9.4, se indican algunas de las especies de hongos o setas que se consumen, en la ac tualidad, a escala mundial.
Cuadro 9.4
ALGUNOS HONGOS COMESTIBLES Nombre científico
Nombre común
Agaricus bisporus
Champiñón
Lcntinus cdodes
Shiitake
Volvariella volvacea
Hongo chino
Flamulina velutipes
Hongo de invierno
Pleurotus ostreatus
Hongo ostión
Pholiota nameko
Nameko
Auncularia sp.
Auricularia
Amanita silváticas
Hongo de basura
Helvca crispa
Orejitas de ratón
Ustilago maydís
Huitlacoche
Tutxr mclanosporum
Trufas
Fuente: Adaptado de Leal (1993).
Los hongos se clasifican como organismos heterótrofos. Algunos, como el huitlacoche, son parásitos; otros, como el champiñón y el shiitake, son saprofitos o, como las trufas, forman asociaciones con las plantas. Los hongos se utilizan como complemento en las comidas; el que más se consume a escala mundial es el Agaricus bisporus, que se muestra en la Ilustración 9.1. Este hongo, según repor ta Leal (1993,353), contiene de un 82 a un 85% de humedad y un 7,75% de proteínas en base se ca. Sus proteínas poseen todos los aminoáci dos esenciales y algunos minerales, como el potasio, el fósforo, el hierro y el manganeso; además, es rico en vitaminas del complejo B. Por lo anterior, el champiñón es un alimento no solo agradable desde el punto de vista or ganoléptico, sino de gran valor nutricional. El ciclo de vida de los champiñones se divide básicamente en dos etapas: •
La fase vegetativa.
•
La fase generativa.
ghouo 9: LA PROTEÍNA UNICELULAR Y O TRO S PR O D U C TO S U TILIZADO S
201
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pleados así como los usos posteriores varían según la enzima involucrada; esa información se muestra en el Cuadro 9.5. Al igual que en la producción de otros metabolitos de interés mencionados, los microorganis mos no producen las enzimas en las cantidades necesarias desde el punto de vista industrial, por lo que se debe estimular su sobreproduc ción. Esto se hace, hoy, por manipulación ge nética de los microorganismos o por medio de cepas mutantes. Sin embargo, aunque se tenga un microorganismo con un alto rendimiento de producción de una determinada enzima, es im portante llevar a cabo su recuperación en una forma apropiada: en esta etapa, se debe asegu rar la permanencia de la actividad de la enzi ma, ya que de nada vale obtener grandes can tidades de ella, si va a perder su actividad du rante la recuperación y la purificación.
enzimas intracelulares) y la separación de los sólidos (por medio de centrifugación o filtra ción). La purificación de las enzimas se puede llevar a cabo por una serie de operaciones, en tre las que se pueden mencionar: la precipita ción de la enzima por fuerza iónica (salting out), la precipitación de la enzima por solven tes orgánicos miscibles, la ultrafiltración y la cromatografía de adsorción. Las etapas que se utilicen dependen del proceso de producción de la enzima. En el Capítulo 3 de este texto y en libro de Illanes (1994) se puede encontrar más información sobre cada una de estas etapas. Para complementar el estudio del tema, reali ce la siguiente actividad. Investigue la razón por la cual no se producen ácidos orgánicos, aminoácidos ni enzimas en el país. (Puede consultar a profesionales afines al área).
Las principales etapas de recuperación de las enzimas son la ruptura celular (en el caso de
Cuadro 9.5
ALGUNAS ENZIMAS DE INTERÉS INDUSTRIAL OBTENIDAS POR FERMENTACIÓN Sustrato
Microorganismo
Enzima obtenida
Usos
Almidón de papa, pasta de soya, Mucor miebei malta y carbonato de calcio
Proteasa
Fabricación de queso
Almidón
Bacillus licheniformis Aspergillus oryzae Bacillus amyloliquetaciens
a-amilasa
Obtención de jarabes con glucosa,maltosa y oligosacáridos
Almidón
Aspergillus niger
Amiloglucosidasa
Obtención de jarabes con glucosa,maltosa y oligosacáridos
Pecti na
Aspergillus niger
Pectinasa y Hemicelulasa
Clarificación de jugos de frutas y vinos
Glucosa
Bacillus coagulans Streptomyces phaechromogenes Streptomyces olvaceus Streptomyces o/ivochromogenes
Glucosa isomcfasa
Obtención de fructosa
Sacarosa
Leuconostoc mesenteroides
Dextransacarasa
Obtención de dextranas
Lactosa
Aspergillus oryzae, Kluyveromyces lactis, Kluyveromyces fragilis Candida pseudotropicalis
Lactasa
Obtención de glucosa y galactosa
(M u lo * LA PROTEÍNA UNICELULAR Y O TRO S PRO D U C TO S UTILIZADO S
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Leal,
H. 1993. "Producción de hongos comestibles". Cap. 10. En: Biotecnología ali mentaria. México: LIMUSA. A. y R. Q u in t e r o . 1987. Tecnología enzimàtica: Aplicaciones en ali mentos i/medicina. México: Universidad Nacional Autónoma de México.
LÓPEZ-MUNGUÍA,
a.; B r it o E. y E. G a UNDO. 1993. "Biopolímeros". Cap. 13, En: Biotecnología alimentaria. México: LIMUSA.
LÓPEZ-M u n c u ÍA,
LÓPEZ-MUNGUÍA, A.
1993. "P ro d u c c ió n d e e n z im a s m ic ro b ia n a s". tecnología alimentaria. M é x ico : LIMUSA.
C ap .
18. En: Bio
Novo's Itandbook of practica! biotechnology. 1986. Dinamarca: C.O.L. Boyce. Novo In dustri A/S. QUINTERO, R. 1993. "Proteína unicelular". Cap. 9. En: Ingeniería bioquímica: Teoría
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WaCHER, C.
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WARD, O. 1991. Biotecnología de la fermentación: Principios, procesos y productos. Es paña: Acribia. Whitbum, T. [en línea], 1995. Single celi protein and mycoprotein. . [Consulta: 2 de marzo del 2000].
214
M i c r o b i o l o g í a i n d u s t r i a l i A lic ia H ík n á n d íz
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Por cada treinta y cinco gramos de carbono presentes en los carbohidratos, los triglicéridos y las proteínas del sustrato que se va a de gradar, debe haber un gramo de nitrógeno, que proviene principalmente de las proteínas (relación 35:1). Si la diferencia es menor, exis te un exceso de nitrógeno que es excretado de la célula en forma de amonio o de amoniaco, según el pH: en un pH ácido, gran parte se mantiene como ion amonio, de fácil lixivia ción; en un pH alcalino, el amonio se transfor ma en gas amoniaco, que se evapora (su pre sencia se detecta por su olor a orín humano). La reacción en un pH alcalino es la siguiente:
mus, que es la fracción orgánica del suelo que presenta el mayor avance de biodegradación.
El proceso anaerobio de biodegradación La ausencia de oxígeno en el medio obliga, a los diferentes organismos, a trasladar, durante la glucólisis, el hidrógeno (del NADH2) a otra sustancia (diferente del oxígeno). Por ejem plo, en las levaduras que producen la fermen tación etanólica, el NADH2 entrega sus electro nes (hidrógenos) al acetaldehído y lo reduce a etanol, mediante la reacción:
N H 4* + O H -* • N H j (gas) + H 20
Amonio
Amoniaco
Reducción
C H j-C H O + N A D H j
► C H 3-C H H O H + NAD*
Acetaldehído
La formación de amoniaco no es conveniente, porque la disipación del gas implica la pérdi da de nitrógeno, nutrimento esencial para la fertilidad de los suelos; además el amoniaco contamina la atmósfera y perjudica la salud humana. La eficiencia de la producción de biomasa a partir de las proteínas es similar a la que se lo gra a partir de los carbohidratos, es decir, aproximadamente 50% de la proteína se con vierte en biomasa.
La b io d eg ra d a c ió n d e la lignina La lignina es una macromolécula formada por múltiples sustancias fenólicas, derivadas del ácido cinámico. Es el componente más resis tente a la biodegradación y, en condiciones anaerobias, es prácticamente no biodegradable. Los mecanismos de las reacciones quími cas y bioquímicas que ocurren aún no están bien dilucidados, pero la presencia de oxígeno molecular es imprescindible en el proceso. Un producto inmediato que se obtiene es el hu
Elanol
En el caso de las bacterias lácticas, el NADH2 cede sus electrones al ácido pirúvico, y se ob tiene ácido láctico: Reducción
CHj- CO - COOH 4 NADH2 — ► CHr CHOH-COOH +NAD* Ácido pirúvico
Ácido láctico
Debido a que el sustrato no se oxida hasta C 0 2 y H20 , la energía contenida en la glucosa es aprovechada tan solo en una vigésima par te. Por esta razón, la producción de biomasa en los procesos anaerobios es veinte veces me nor que en los procesos aerobios. Esto repre senta ventajas y desventajas para los procesos de tratamiento de aguas y desechos sólidos. Cuando el proceso de tratamiento es anaero bio, la ventaja consiste en la baja producción de biomasa residual y la desventaja en que el crecimiento de la flora microbiana es muy len to. Si el tratamiento se lleva a cabo por un proceso aerobio la situación es inversa: hay un crecimiento acelerado de la flora (ventaja), pero se generan muchos lodos de desechos que deben ser tratados (desventaja).
o x m o m EL TRATAMIENTO 8IOTECNOLÓGICO DE LOS DESECHOS SÓLIDOS
221 Copyrighted materia!
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Una vez agotadas las fuentes de fácil biodegradadón, la temperatura disminuye hasta al canzar aproximadamente los 30 °C. En este proceso de disminudón de la temperatura se enmarca la tercera fase. La cuarta fase comprende el periodo de ma duración, en el que la temperatura del sustra to desciende hasta llegar a la del ambiente. El producto final debe presentar las caracterís ticas que se muestran en el Cuadro 10.3. Cuadro 10,3 LAS CARACTERÍSTICAS DESEABLES DE LA COMPOSTA Parámetro Materia orgánica Nitrógeno Relación carbono:rutrógeno
Valor 20 -40% p/p 0,8 * 1,8% p/p 10:1 -20:1
Contenido de humedad
40 - 50 % p/p
Densidad aparente
0,5 - 0,8 kg/f
pH
7,5-8
Fuente: Backhus ( 1995. 71.
Si la relación carbonoinitrógeno es mayor que veinte, el producto, al ser aplicado, toma el ni trógeno disponible en el suelo para convertirlo en biomasa microbiana y, por lo tanto, provoca un bajo rendimiento del cultivo, a causa de la deficiencia momentánea de este elemento. El contenido de humedad recomendado se fundamenta en razones de índole económica y biológica: el producto debe contener más del 40% de agua con el fin de asegurar la acti vidad de microorganismos beneficiosos para la flora edáfica; pero, por razones económicas, no debe superar el 50% de agua, pues al agri cultor no le interesa comprar agua. En una investigación sobre la eficiencia de la producción de sorgo, en condiciones de inver nadero, se encontró que solo las compostas con las concentraciones mínimas y máximas, que se indican en el siguiente cuadro, dieron resultados satisfactorios en el análisis de la productividad. Cuadro 10.4
Los componentes minerales y orgánicos de la composta se encuentran en forma de macromoléculas de difícil biodegradación (lignocelulosa, lignoproteínas y áddos húmicos), por lo que este sustrato representa una valiosa re serva de nutrimentos para la flora edáfica y se emplea como abono. Se ha encontrado que la composta brinda las siguientes ventajas a los cultivos: • Suministra nutrimentos de difícil lixiviadón. • Mejora la estructura del suelo. • Aumenta la población de lombrices. • Aumenta la flora edáfica.
CONTENIDO DE LAS COMPOSTAS QUE PRODUCEN BUEN RENDIMIENTO EN SORGO Sustancia
H ,0 *
Mat.org N
Concentración (%) -Máxima 50 Relación C:N
P Ca Mg K Mínima
30
1,2
1,0 0,1 0.4 0,6
17:1
Fuente: Arroyo (1997, 64).
No existe consenso mundial sobre los valores máximos permitidos de las concentraciones de los metales pesados que contiene la composta; en el Cuadro 10.5 se muestran los valores que rigen en los países de la Unión Europea.
• Actúa como retenedor de humedad • Favorece el escurrimiento del agua de exceso.
Ort>uo 10: EL TRATAMIENTO BIO TEC N O LÓ G IC O DE LOS DESECH O S SÓ LID O S
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las desiertas arenas y ruinas de orgullosas civilizaciones.
El objetivo de toda planta de tratamiento de aguas residuales es remover la materia -biode gradable y no biodegradable- con la que el lí quido ha sido contaminado. En Costa Rica, más del 90% de las aguas residuales de la in dustria y domiciliares no son tratadas. A partir de 1992, los principales contaminantes de los ríos de Costa Rica -los beneficios de café y los ingenios de azúcar- fueron obligados a dar tra tamiento a sus aguas residuales para reducir la carga contaminante: desde un valor de quince mil y mil miligramos de DB053 por litro, res pectivamente, hasta un valor de mil y ciento cincuenta miligramos de DBO5J0 por litro.
De acuerdo con la procedencia, las aguas resi duales se clasifican en: •
Ordinarias: generadas por las actividades domésticas de seres humanos.
•
Especiales: generadas por cualquier otra actividad diferente a la doméstica.
En Costa Rica, el marco legal que determina las cantidades máximas de contaminantes es tá definido en el Reglamento de vertido y reuso de aguas residuales, publicado en La Gaceta del 19 de junio de 1997. En el próximo cuadro se ofrece la frecuencia mínima de muestreo de los indicadores más importantes.
•
Sólidos sedimentables (arena, material biodegradable y objetos).
•
Sólidos suspendidos (coloides y microor ganismos).
La ley establece, además, los valores máximos de diferentes parámetros que varían según el destino de las aguas: vertidas en el alcantari llado sanitario o en cuerpos de agua (ríos, la gos, estuarios, manglares, entre otros). En el Cuadro 10.8, se presentan los valores relacio nados con la depuración biotecnológica de las aguas. La lista completa de valores máximos puede ser consultada en los dos primeros cua dros del Anexo de este capítulo.
•
Sólidos disueltos (compuestos orgánicos e inorgánicos).
Existen diferentes procesos de tratamiento de aguas residuales, sin embargo, todos tienen en
Según el estado físico en que se encuentren los contaminantes de las aguas, se diferencian tres tipos de estos materiales:
Cuadro 10.7
LA FRECUENCIA MÍNIMA DE MUESTREO Y LOS ANÁLISIS PARA AGUAS RESIDUALES DE TIPO ORDINARIO Y ESPECIAL Parámetro
Caudal (mVdíal TtPO ORDINARIO
pH, sólidos sedimentables y caudal Grasas y aceites» DBOs 2(>; coüíormes y sólidos suspendidos totales
100
Mensual
Semanal
Diario
Anual
Semestral
Trimestral
Tip o e sp íc ia i
Temperatura, pH. sólidos sedimentables y caudal Otros parámetros obligatorios
100
Mensual
Semanal
Diaria
Anual
Semestral
Trimestral
Fuente: U Gaceta
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