Download Microbiología Industrial

MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL
Un proceso de fermentación típico es esencialmente un proceso que se lleva a cabo en un
recipiente llamado fermentador o en general, biorreactor, mediante el cual determinados
sustratos que componen el medio de cultivo son transformados por acción microbiana en
metabolitos y biomasa. El microorganismo va aumentando en su concentración en el transcurso
del proceso al mismo tiempo que el medio se va modificando y se forman productos nuevos como
consecuencia de las actividades catabólicas y anabólicas. Los dos fenómenos crecimiento y
formación de producto, tienen lugar durante el desarrollo del proceso simultáneamente o no
según los casos
Un biorreactor es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo. En
algunos casos, un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso químico que
involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos. Este
proceso puede ser aeróbico o anaeróbico. Estos biorreactores son comúnmente cilíndricos,
variando en tamaño desde algunos mililitros hasta metros cúbicos.
Selección
Debido a que el éxito o fracaso de un proceso fermentativo comienza con el microorganismo
utilizado, en la elección del mismo se deberían tener en cuenta ciertos criterios generales que se
indican a continuación:
1.
2.
3.
4.
La cepa a utilizar debe ser genéticamente estable.
Su velocidad de crecimiento debería ser alta.
La cepa debe estar libre de contaminantes, incluidos fagos.
Sus requerimientos nutricionales deberían ser satisfechos a partir de medios de cultivo de
costo reducido.
5. Debe ser de fácil conservación por largos períodos de tiempo, sin pérdida de sus
características particulares.
6. Debería llevar a cabo el proceso fermentativo completo en un tiempo corto.
7. Si el objetivo del proceso es un producto, éste debería ser de alto rendimiento y de fácil
extracción del medio de cultivo.
1
Microorganismos usados en fermentación
Ventajas de los microorganismos como unidades de producción
1.
2.
3.
4.
5.
Adaptabilidad a distintos ambientes y condiciones de crecimiento.
Incremento de la productividad
Facilidad de manipulación genética
Modificación de los productos finales
Tecnologías limpias
Origen de las cepas industriales
1. Colecciones de cultivos
2. Cepas nativas
3. Organismos genéticamente modificados (OGM)
Requerimientos de los organismos industriales
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Producir la sustancia de interés
Estar disponible en cultivo puro
Ser genéticamente estable
Crecer en cultivo a gran escala
Mantenimiento en cultivos durante un período de tiempo largo
Crecer y producir el compuesto deseado rápidamente
Crecer en un medio de cultivo líquido
No ser patógeno
Eliminación de las células microbianas del medio de cultivo con relativa facilidad
Ser susceptible de manipulación genética
Que sea capaz de sufrir recombinación genética
Mejoras de cepas
1. Selección de variables naturales
2. Selección de mutantes inducidas
3. Obtención de recombinantes
Ingeniería genética: Modificación deliberada de la información genética de un organismo
cambiando directamente su genoma de ácido nucleico. Esto se puede lograr por métodos
denominados Tecnología del AND recombinante.
Métodos genéticos de mejoramiento de cepas industriales
1.
2.
3.
4.
Mutación y selección
Hibridación y recombinación
Transformación, conjugación y transducción (bacterias)
Clonado y expresión de genes
2
¿Para qué se hace mejoramiento genético?
Aumentar los rendimientos: debe realizarse en forma permanente.
Disminuir o eliminar co-metabolitos indeseables (ej. Pigmentos, otros productos, facilitar la
purificación).
Estimular la utilización de fuentes de carbono o nitrógeno más baratas (ej. Plásticos).
Alterar morfología o funciones para obtener propiedades deseadas (ej. Espumas, pellets, etc)
Modificación de cepas microbianas por ingeniería genética
1.
2.
3.
4.
5.
Identificación y aislamiento de ADN responsable de un determinado fenotipo
Purificación del gen
Fusión del gen con otros fragmentos de ADN formando células recombinantes
Inserción del AND recombinante dentro de otro organismo
Clonación del gen
Cultivos iniciadores y bacteriófagos
Cultivos iniciadores “starters”
•
•
•
•
•
Microorganismos que se emplean en la producción de productos fermentados.
Sabor, aroma y producción de etanol.
Actividad proteolítica
Inhibición de microorganismos indeseables
Son microorganismos viables adicionados a los alimentos o a un sustrato para mejorar su
calidad o aumentar su aceptabilidad
Los cultivos iniciadores pueden ser: Mesófilos o Termófilos.
Requisitos de los cultivos iniciadores:
 Seguridad: ni tóxicos ni patógenos.
 Efectividad tecnolgógica:
o Dominio sobre la microbiota natural presente
o Desarrollo de la actividad metabólica deseada
o Preparaciones libres de sustancias infecciosas
 Aspectos económicos
o Propagación fácil
o Conservación en congelación o liofilización sin perder
actividad
o Mantenimiento de sus propiedades
o Sencillo manejo
3
Las etapas de propagación que deben realizarse para llegar a la producción comercial de cultivos
iniciadores:
 Cultivo madre: corresponde la primer inóculo de la cual se originan todas las
preparaciones.
 Cultivo intermedio: preparación en mayor volumen originada en la primera.
 Cultivo de producción masiva: esta etapa corresponde a la preparación del producto.
Bacteriófagos
•
•
•
•
Son virus parásitos bacterianos.
No pueden crecer ni replicarse sino dentro de una célula bacteriana
Atacan y destruyen a la mayoría de las bacterias lácticas
Impiden el proceso normal de maduración o bien tornándolo lento e ineficiente
Microorganismos objetivo
Listeria monocygotensis, Salmonella, Campylobacter, E. Coli.
Alimentos fermentados
Son aquellos donde los microorganismos generan cambios controlados. Existen más de 3500
alimentos fermentados tradicionales: pan, yogures, queso, féculas fermentadas, semillas de soja o
de pescados fermentados, etc.
Importancia de los microorganismos en alimentos fermentados:
•
•
•
Son agentes responsables de los sabores y características físicas deseables
Los productos pueden contaminarse con microorganismos patógenos o toxinas
microbianas
Muchos microorganismos pueden originar sabores extraños y defectos físicos.
En resumen los MO:
1)
2)
3)
4)
5)
Producen enfermedades
Deterioran alimentos
Producen alimentos
Pueden ser suplementos dietéticos para mejorar la calidad de vida
Pueden ser conservadores naturales de alimentos
Bacterias usadas en la producción de alimentos fermentados
•Bacterias ácido-lácticas: Lactobacillus
4
Levaduras
•
•
•
•
Fermentación de alimentos y alcohol.
Producción de enzimas para uso en alimentos
Proteína unicelular
Aditivos para impartir sabores deseados a los alimentos
Mohos
•
•
Producción de alimentos
Producción de aditivos y enzimas: Aspergillus, Penicillium, Rhizopus, Mucor.
Prebóticos
Los prebióticos son un ingrediente alimentario no digerible que benefician al huésped estimulando
selectivamente el crecimiento y/o actividad de bacterias en el colon.
Vía metabólica
1)
2)
3)
4)
5)
Ingesta de un prebiótico
Los prebióticos no se digieren en el estómago ni en el intestino delgado
Es fermentado por la flora intestinal benéfica
Nutren a las bacterias benéficas
Se producen AGCC
Efectos de las bacterias benéficas en el colon






Desarrollo de la barrera mucosa
Síntesis de vitaminas
Activación de sistema inmune
Reducción del pH en intestino grueso
Producción de AGCC
Metabolismo de ácidos biliares
5
Probióticos
Microorganismos vivos que, al ser ingeridos en cantidades adecuadas, le confieren beneficios de
salud al anfitrión. Todas las bacterias que viven y conviven en el tracto gastrointestinal trabajando
en simbiosis con nuestro cuerpo.
Diferencias entre probióticos y prebióticos
Prebiótico: productos no digeribles, que benefician al consumidor por estimular selectivamente el
crecimiento o la actividad de microorganismos específicos de la microbiota intestinal.
Probiótico: productos que contienen microorganismo vivos que ejercen un efecto positivo en la
salud, más allá de los efectos nutricionales. Es aquel producto que contiene en su formulación
bacterias lácticas (células vivas capaces de separar los azúcares (glucosa, lactosa, pentosa)
mediante un proceso de fermentación.
¿Quiénes son los probióticos?
Existen aproximadamente 400 especies distintas de microorganismos en nuestro tracto intestinal
con un peso de 1,6 kg. Este a su vez se encuentra colonizado por millones de bacterias
perjudiciales y benéficas 1011 bacterias por gramo de contenido.
Características
Son bacterias residentes que forman colonias en el tracto gastroinstestinal, vagina y en la boca.
Funciones y equilibrios de la microbiota instestinal
La microbiota intestinal influye directa o indirectamente en el estado de salud del hombre y los
animales a través de las siguientes funciones:





Producción de vitaminas y ácidos grasos de cadena corta
Degradación de sustancias alimenticias no digeribles
Integridad de epitelio intestinal
Estímulo de la respuesta inmunitaria
Protección frente a organismos enteropatógenos.
Factores que afectan el funcionamiento de la microbiota intestinal humana: enfermedades, estrés,
cambios en la dieta, edad, consumo de antibióticos y probióticos.
Biopreservativos alimenticios de origen microbiano
Preservación de alimentos mediante el desarrollo de bacterias o de sus productos metabólicos.
Bacterias lácticas son capaces de colonizar diferentes ambientes. Asociados a fermentaciones
alimentarias:
6


Conservación de materias primas alimentarias: Cultivos indicadores y actividad
metabólica.
Efectos sobre la salud humana y animal: Probióticos
Bacterias ácido lácticas
Cultivos iniciadores
Mejorar aroma,
sabor,aspecto y consistencia
del alimento.
Cultivos protectores
Mejorar estabilidad y seguridad
del alimento inhibiendo
microorganismos deteriorantes y
productores de toxinas.
Cultivos protectores de alimentos
 Deben ser seguros (de grado alimentario)
 Adaptarse a un sistema alimentario
 No modificar las características sensoriales del alimento
Metabolismo antagonista de las bacterias lácticas






Descenso del pH en producción de ácidos
Desarrollo competitivo (nutrientes), frente a otros microorganismos
Ocupan nichos de otros microorganismos
Ejercen un efecto bactericida o bacteriostático sobre determinados microorganismos
Productores de H2O2, acetoina, reuterina, lisozima, ácidos grasos…
Producción de bacteriocinas
Aspectos relevantes de las bacteriocinas de las BAL.





Constituidos por péptidos con <30 hasta 60 aminoácidos
Termoestables
De síntesis ribosomal
No son antibióticos
Efecto bactericida
Criterio que debe cumplir una bacteriocina para para su aplicación en un alimento


Estable frente a procesos térmicos
Estable durante el almacenamiento del alimento
7





Efectiva a bajas concentraciones
Parte activa de la molécula de origen proteico
Ser degradad por las enzimas digestivas
No afectan negativamente las características sensoriales del alimento
De costo razonable
Aplicación en alimentos de bacteriocinas o de las cepas productoras
a) NICINA
b) PEDIOCINA
Aplicación de Bacteriocinas en alimentos
Ventajas frente a otros productos
Forman parte de la dieta habitual
Son degradas por proteasas digestivas
No alteran la ecología de la microbiota
del tracto digestivo
 Estables a los tratamientos térmicos
 Estables a bajos pH y bajas
temperaturas
 No son corrosivas



Inconvenientes para su uso en alimentos
 Se inactivan por los lípidos en los
alimentos
 Al unirse a la matriz alimentaria podría
haber perdida de la actividad
 Baja solubilidad o distribución desigual
en el alimento
 Algunos patógenos desarrollan
resistencia
Enzimas alimenticias de origen microbiano
Microorganismos como fuentes de enzimas







Producciones de grandes cantidades a bajo costo
Uso de mutantes y procesos de selección y aumentan la producción.
Producción de enzimas hechas a medida a través de ingeniería genética y diseño de
proteínas.
Enzimas hidrolíticas simples como: proteasas, amilasas, etc. Degradan polímeros naturales
como proteínas, almidones o pectinas.
Enzimas extracelulares
Poco específicas
Fácil extracción y bajo costo.
Amilasas
 Degradación del polisacárido almidón
 Almidón: compuesto de almacenamiento de energía en plantas
 Fuente de nutrición muy importante en animales y humanos
 Se utiliza en producción de cerveza (reemplazo de malta)
8
 Para hornear pan (acelera el proceso de fermentación)
Enzimas microbianas y sus aplicaciones
Enzima
Invertasa
Glucosa oxidasa
Pectinasa
Renina
Celulasa
Lipasa
Lactasa
DNA polimerasa
Fuente
Levadura
Hongos
Hongos
Hongos
Bacterias
Hongos
Hongos
Archaea
Aplicación industrial
Relleno de caramelos
Eliminación de glucosa y O 2, pruebas de diabetes
Clarificación del vino
Coagulación de la leche
Detergente
Degradar la grasa
Degradar lactosa a glucosa y galactosa
Replicación de ADN
Industria
Confiteria
Alimentaria, farmacéutica
Jugos de frutas
Quesera
Lavandería
Lecheria, lavandería
Lecheria, alimentos
Investigación, biológica y forense
9