Fermentación y tecnología de enzimas

Procesado de alimentos

Fermentación

Hace uso de la acción controlada de microorganismos seleccionados para modificar la textura de los alimentos, conservarlos o producir ácidos o alcohol y desarrollar en ellos aromas y sabores que aumenten su calidad y valor nutritivo.

El efecto conservador se puede complementar con refrigeración, pasteurización o envasado.

Ventajas• Condiciones suaves de operación (pH y T)• Obtención de texturas y aromas imposibles de obtener de otro modo• Bajos gastos de instalación y funcionamiento (Bajo consumo energético)• Tecnología relativamente sencilla

Tecnología de enzimas

Adición de enzimas para provocar reacciones específicas en condiciones de pH y temperatura suaves.

Ventajas

• Producción de modificaciones específicas

• Uso de temperaturas reducidas

• Consumo de energía menor que el de las reacciones químicas equivalentes

• Elaboración de nuevos productos

Teoría de la fermentación

Principales factores de proceso

• Disponibilidad de nutrientes, especialmente C y N

• pH del sustrato

• Temperatura de incubación

• Potencial de oxidación-reducción

• Fase de crecimiento del microorganismo

• Presencia de microorganismos competidores

t

c CCultivo discontinuo

1 2 3 4

1 Fase lag, de inducción o de retardo

2 Fase logarítmica

3 Fase estacionaria

4 Fase de declive

1 Fase de inducción

2 Fase logarítmica

A: Alimento (sustrato)C: Células (biomasa)R: Residuos (metabolitos)

Cinética de Monod

t

c C 1 2 3 4

3 Fase estacionariaCon el tiempo decae la velocidad de crecimiento celular debido a:• agotamiento de los nutrientes del medio

y/o• acumulación de metabolitos

t

c C 1 2 3 4

cC: Concentración de biomasa estacionariacCo: Conc. de biomasa inicialcAo: Conc. de sustrato inicialcAr: Conc. de sustrato resdualY: Factor de rendimiento

Conc. de metabolitos sintetizados

4 Fase de declive

Cultivo en continuo

• Aumentar la productividad en fermentaciones con envenenamiento

• Mantienen las células permanentemente en fase de crecimiento logarítmico

Fermentaciones alimentarias

Clasificación

1. En función de los cambios provocados en los carbohidratos de ciertos sustratos:

a) ácidos orgánicos

b) etanol y CO2

2. En función de los microorganismos:

a) homofermentativos

b) heteroferementativos

Principales fermentaciones en la industria alimentaria

• Fermentaciones lácticas

• Productos cárnicos y derivados del pescado

• Verduras

• Productos lácteos

• Fermentaciones etanólicas

• Pan

• Bebidas alcohólicas

• Fermentaciones ácido-alcohólicas

• Vinagre, ácidos alimentarios

• Café, cacao

• Derivados de la soja

Producto fermentado Producto inicial Microorganismo principal de la fermentación

Derivados lácteos

Queso Leche Lactobacillus sp. (etapas iniciales)

Yogur Leche Sterptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus

Kefir Leche Lactobacillus sp., Saccharomyces sp.

Nata ácida Leche Lactobacillus lactis, Leuconostoc cremoris

Verduras

Pickles Pepino Pediococcus cerevisiae, Lactobacillus plantarum

Col ácida (Sauerkraut) Col Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus plantarum

Bebidas y otros líquidos

Café Granos de café Erwinia dissolvens, Saccharomyces sp.

Cerveza Grano de cebada malteado Saccharomyces carlsbergensis

Vino Uvas Saccharomyces ellipsoideus

Sake Arroz Aspergillus oryzae, Saccharomyces sake

Salsa de soja Semillas de soja Aspergillus oryzae, Saccharomyces rouxii, Lactobacillus delbrueckii

Vinagre Etanol (vino) Acetobacter orleanensis

Otros alimentos

Pan Harina de trigo Saccharomyces cerevisiae

Jamón curado Cerdo Aspergillus, Penicillum sp.

Embutidos Cerdo, vaca Pediococcus cerevisiae

Fermentación alcohólica y ácido-láctica

Fermentaciones ácido-lácticas

Producto Fuente principal Aplicación

Ácido cítrico Aspergillus niger Ácido alimentario, cosmética

Ácido itacónico Aspergillus terreus Plásticos

Xantanos Xanthomonas campestrans Estabilizantes, emulsificantes

Celulosa Acetobacter xylinum Filtros, producción de fibra

Aminoácidos Corynebacterium glutamicum Suplementos y aditivos alimentarios

Amilasa Bacillus Industria textil, detergentes

Proteasas Bacillus, Streptomyces Detergentes

Lipasa Rhizopus, Saccharomycopsis Desengrasante de lana, ayuda digestiva

Instalaciones

Materiales sólidos:

• En bandejas o tanques a temperatura y humedad relativa controlada

• Productos cárnicos embutidosFermentador horizontal

Fermentador rotatorio

Efecto de la fermentación sobre los alimentos

• Apenas hay efectos sobre el valor nutritivo• Textura: Reblandecimientos (cambios en proteínas y carbohidratos)• Aroma y sabor:

• disminución del dulzor y aumento de la acidez (transformación de azucares en ácidos orgánicos)

• incremento en el contenido de sal, adicionada para dirigir la fermentación (pepinillos, salsa de soja)

• reducción del amargor• Color: Con frecuencia no hay cambios:• Adición de compuestos químicos

• cambios enzimáticos experimentados por los pigmentos (degradación de clorofila)

• desarrollo de pigmentos de color marrón debidos a la acción proteolítica• producción de pigmentos por los microorganismos

Cambios en el contenido vitamínico de algunos alimentos durante la fermentación

Teoría de los enzimas

Objetivos en la industria alimentaria

• reducir costes de fabricación

• mejorar el rendimiento en las extracciones de distintas materias primas o mejorar su manipulación

• prolongas la vida útil o mejorar sus características organolépticas

Ventajas

• Activos incluso a concentraciones bajas

• La velocidad de las reaccionas se controla con facilidad ajustando los parámetros de incubación

Desventajas

• Son caros

• En algunos casos, hay que inactivarlos o eliminarlos del producto encarece los costes de fabricación

• Pueden provocar alergia

Clasificación

• Extracelulares

• Intracelulares

Procesos discontinuos:• Se añade la enzima• Se deja en el alimento o se la inactiva térmicamente

Utilización de las enzimas en alimentos Procesos continuos

• Enzima inmovilizada en un soporte

✓Puede reutilizarse

✓Permite un control más estricto del pH y de la temperatura actividad óptima

✓Elevado precio de los soportes, instalaciones y sistemas de control

x Pérdidas de actividad

x Riesgo de contaminación microbiana

Enzimas de uso alimentario

Enzima Fuente principal Reacción catalizada Aplicaciones

Amilasa Aspergillus Almidón azúcar Cervecería, producción de jarabes

Pectinasa Saccharomyces cerevisiaeSucrosa glucosa + fructosa

Preparación de zumos de frutas concentrados

Cuajo Endothia, Mucor Coagulación de la caseinaProducción de queso (ayuda a que se forme la cuajada)

Proteasas Bacillus, Aspergillus Hidrólisis de proteínas Ablandamiento de carnes

Diacetil reductasa Enterobacter aerogenesEliminación de grupos diacetil

Prevención de ciertos olores en cervezas y zumos de frutas

Lacatasa Kluyveromyces fragilisLactosa galactosa + glucosa

Digestión de la lactosa en la leche (para personas intolerantes a la lactosa). Prevención de cristalización de la lactosa en helados

Naringinasa Aspergillus niger Eliminación de la naringina Eliminar el sabor amargo del zumo de naranja

Oxidasa de la glucosa Aspergillus niger Glucosa ácido glucónicoPrevención de pardeamientos de huevos deshidratados

Isomerasa de la glucosa Bacillus, Arthorbacter Glucosa fructosa Preparación de jarabes muy dulces