Tema 1 - Introducción a la Biotecnología de Alimentos PDF

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TEMA 1: Introducción a la Biotecnología de Alimentos. 1. HISTORIA DE LA BIOTECNOLOGÍA. Desde tiempo inmemorial, el hombre ha transformado a los animales y plantas a su antojo, utilizando medios empíricos. En el Creciente Fértil (5000 a.C.) ya se conocían las propiedades de la leche y su transformación en queso y mantequilla; y los egipcios de la III Dinastía (2600 a.C.) utilizaban la gelatina de huesos y piel de animales como pegamentos. Antony van Leeuwenhoek (1632-1723), conocido como el “padre de la microbiología”, fue el primero en realizar observaciones y descubrimientos con microscopios cuya fabricación él mismo perfeccionó. Robert Hooke (1635-1703) descubrió las células observando en el microscopio una lámina de corcho, dándose cuenta de que estaba formada por pequeñas cavidades poliédricas que recordaban a las celdillas de un panal. Por ello cada cavidad se llamó célula (del inglés, cell). Louis Pasteur (1822-1895) es considerado el padre de la microbiología moderna debido a sus avances en diversos campos de la química y la microbiología. A él se debe la técnica de conservación de la pasteurización; a través de experimentos refutó definitivamente la teoría de la generación espontánea; condujo al desarrollo de vacunas (cólera de los pollos, el ántrax y la erisipela del cerdo, y el virus de la rabia); descubrió las formas dextrógiras y levógiras que desviaban el plano de la luz polarizada con el mismo ángulo, pero en sentido contrario (ác. tartárico); descubrió que en la fermentación intervenían microorganismos, concretamente dos variedades de levaduras, una que producía alcohol y otra, ácido láctico. Frederick Sanger (1918-2013) y Walter Gilbert (1932-) consiguieron el Premio Nobel de Química en 1980 por descubrir que era posible estudiar la secuencia de bases del ADN, estableciendo cómo se colocaban las bases púricas y pirimidínicas del ADN para construir genes y para transmitir cierta información.

Kary Mullis (1944-) obtuvo el Premio Nobel de Química en 1993 por descubrir la reacción en cadena mediante polimerasa (PCR), que se utiliza para obtener muchas copias del ADN.

2. BIOTECNOLOGÍA DE ALIMENTOS. Los microorganismos existen desde siempre, y desde siempre han cumplido su papel; por tanto, la Biotecnología de Alimentos y la Genética de Alimentos son tan antiguas como el hombre. Las civilizaciones primitivas hacían biotecnología sin saberlo, buscando sobre todo la estabilidad, y por ello sabían que el vino era más estable que el zumo de uva, el queso más que la leche… etc. Desde que se descubriera el microscopio y se observaran las primeras células, la Biotecnología se centró en acabar con las grandes epidemias mortales que había en la época (cólera, fiebre amarilla, peste), pero hubo químicos menos conocidos como Latour, Schwann y Kützig (1ª mitad del s. XIX) que apuntaban que “La fermentación es el resultado del metabolismo de las levaduras”. Por el contrario, otros químicos como Liebig, Berzelius y Wöhler apuntaban que “La fermentación y putrefacción son procesos químicos”, en los que no intervenían microorganismos. Esta controversia duró hasta que Louis Pasteur (2ª mitad del siglo XIX) vio que cuando había una fermentación era porque había microorganismos. Para ello tomaba muestras de vino de una bodega y las veía al microscopio, observando formas globosas en él cuando se realizaba la fermentación. Y, además, apuntó que dependiendo el tipo de microorganismo que actuara en el sustrato se obtenía un producto u otro. A partir del siglo XIX empieza a desarrollarse la Biotecnología. La Biotecnología es la aplicación de la ciencia y la ingeniería en el uso directo o indirecto de organismos vivos o partes de ellos, en sus formas naturales o modificadas, para la producción de bienes y servicios o para la mejora de procesos industriales. Algunos servicios que se derivan de la Biotecnología pueden ser la biorremediación, la biolixiviación, la depuración de aguas residuales (biorremediación). Tanto los bienes fermentados como los servicios derivados van a beneficiar al hombre. La Biotecnología deriva de diversas disciplinas como la Ingeniería Genética, la Biología Molecular, la Bioquímica, la Bioingeniería, la Medicina y la Microbiología.

Sin embargo, la Biotecnología es amplísima (vegetal, animal, microbiana), pero la Biotecnología de Alimentos se incluye en ésta última, en la Biotecnologia Microbiana. Dentro de esa Biotecnología de Alimentos hay una parcela pequeña que trata de la fermentación de alimentos, en la que la CyTA se mueve. La elaboración de alimentos fermentados es un proceso biotecnológico porque en ella participan microorganismos. Estos microorganismos han de ser GRAS (Generally recognised as safe); hoy en día, tan sólo Saccharomyces y las bacterias lácticas (BAL) son admitidas como GRAS por las autoridades sanitarias sin tener que demostrarlo. Otros microorganismos han de ser validados como atóxicos porque generan enzimas microbianos y porque pueden usarse en ingeniería genética, para obtener levaduras y bacterias a la carta. En alimentos se pueden utilizan microorganismos modificados para obtener mejorías en el alimento. Sin embargo, Europa no permite su utilización, tan sólo EEUU, Australia, Nueva Zelanda, algunos países de América del Sur como Chile o Argentina; lo que sí pueden usarse son enzimas recombinantes, que se obtienen de microorganismos modificados genéticamente. Por ejemplo, en el queso se necesita la coagulación de las caseínas; esta coagulación se produce por reninas animales, pero la biotecnología ha conseguido recombinar ADN animal en un moho para que la genere.

3. FERMENTACIONES. El término “fermentación” procede del latín fervere que significa “hervir”, describiendo la aparición de burbujas en la fermentación de extractos de fruta o granos malteados. Esta sensación de hervido se producía por el CO 2 causado por el catabolismo anaeróbico del azúcar presente en el extracto. Esa fermentación puede ser vista desde dos puntos de vista: -

Bioquímico: es un proceso que utilizan algunos microorganismos para obtener energía (ATP) que les permita realizar sus funciones vitales. Ese mecanismo de degradación de compuestos orgánicos, fundamentalmente azúcares sencillos (glucosa, fructosa, lactosa, sacarosa, maltosa, galactosa, rafinosa, trehalosa, arabinosa, xilosa), en ausencia de O2, se denomina fermentación. Nos va a permitir obtener ciertos metabolitos. Todos fermentan glucosa, pero no todos fermentan los demás. Un microorganismo no puede usar un azúcar porque no posea transportadores específicos para ese azúcar. Algunos microorganismos también pueden poseer enzimas que liberan al medio para hidrolizar polímeros (o dímeros) y poder transportar los azúcares simples. También pueden añadirse enzimas exógenas, normalmente producidas por mohos, para ayudar a los microorganismos a hidrolizar esos polímeros.

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Microbiología industrial: es cualquier proceso que emplee microorganismos con el objeto de obtener un producto a escala industrial para comercializar, y que puede darse tanto en presencia como en ausencia de O 2. Aquí se incluirían casi todos los alimentos fermentados, fármacos como antibióticos, vacunas, vitaminas, hormonas… etc. Cuantos más microorganismos, más metabolito deseado, y para obtener suficiente biomasa hay que darle las condiciones óptimas de O2, temperatura…

Una fermentación es la transformación bioquímica de una materia orgánica (sustrato) para obtener un producto cuyas características difieren de la materia prima. Se debe realizar en un fermentador (por ejemplo, la yogurtera de Javi), que es un lugar donde el microorganismo va a estar en combinación con el sustrato, con las condiciones más favorables posibles para la fermentación.

Los microorganismos tienen dos tipos de enzimas: las enzimas inducidas, que el microorganismo secreta cuando las necesita (por ejemplo, amilasas, pectinasas); y las enzimas constitutivas, que siempre están presentes (por ejemplo, las de la glucolisis). De la fermentación puede interesar el caldo de cultivo (vino, cerveza) o medio de fermentación (pan, embutidos) per se, o por los metabolitos que pueda contener dicho caldo (ác. acético, ác. láctico, bioetanol, enzimas, fármacos); la biomasa, cuando se puede utilizar de nuevo, o venderla como cultivo iniciador, como probiótico o como SCP (single cell protein). Las enzimas microbianas se utilizan en la Biotecnología de Alimentos por tres razones: -

Los microorganismos crecen rápidamente, se pueden obtener a gran escala. Los microorganismos son menos exigentes en cuanto a su sustrato de crecimiento. Los microorganismos se pueden modificar genéticamente para mejorar su rendimiento.

De las fermentaciones podemos obtener: -

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Enzimas microbianas; por ejemplo, la lactasa comercial procede de Kluiveromyces lactis, debido a que cada vez es más necesario eliminar la lactosa de los alimentos porque cada vez surgen más intolerantes a la lactosa. Metabolitos microbianos, como antibióticos, aminoácidos, vitaminas, etanol, ácidos, polisacáridos, otros fármacos…

En una fermentación se parte de un azúcar (casi siempre glucosa), que en la glucolisis pasa a ácido pirúvico, y es éste el metabolito que da comienzo a todas las rutas fermentativas: ácido láctico (LAB), etanol + CO2 (levaduras), ácido propiónico (Propionibacterium), ácido butírico (Clostridium butiricum) y ácido acético (Acetobacter, a partir del etanol formado por levaduras). Del metabolito intermedio entre el azúcar y el piruvato, el gliceraldehído-3P, se puede obtener glicerol, muy importante para las industrias de jabón.

4. RELACIÓN ENTRE FERMENTACIONES Y BIOTECNOLOGÍA. Las fermentaciones se aplican en: -

Producción de alimentos: pan, embutidos, bebidas espirituosas, vino, cerveza, vinagre, anchoas… Ingredientes alimentarios: enzimas, saborizantes, aminoácidos, vitaminas… Fármacos: antibióticos, hormonas, vacunas, polisacáridos… Pro- y prebióticos para alimentación humana o animal: glucanos, manoproteínas… Compuestos químicos: ácidos, glicerol acetona, alcoholes, insecticidas…

Hay distintos tipos de biotecnología: -

Biotecnología Gris: se refiere al medio ambiente, como la depuración de aguas, la biorremediación, la biolixiviación… Biotecnología Verde: se refiere al mundo agrícola, en la que está incluida la Biotecnología de Alimentos. Biotecnología Roja: se refiere a la obtención de fármacos. Biotecnología Blanca: va destinada a la obtención de compuestos químicos.

Tradicionalmente, la biotecnología se hacía por fermentación espontánea, es decir, aquella que se lleva a cabo por la biota deseable que se encuentra en el producto. Así, tendríamos la biotecnología de 1ª generación. Hoy en día, surge una nueva biotecnología basada en la ingeniería genética y el empleo de cultivos iniciadores. Los cultivos iniciadores o “starters” son microorganismos perfectamente tipificados y viables, compuestos por una o varias cepas, que se emplean para hacer uso de su metabolismo. Cuando se emplean starters, se habla de biotecnología de 2ª generación. La biotecnología de 3ª generación se da cuando el microorganismo es recombinante. Hoy en día, todavía sigue en uso la biotecnología de 1ª generación, aunque la más frecuente en la industria alimentaria es la de 2ª generación.

Los starters son muy beneficiosos en biotecnología debido a: -

Comienzo y desarrollo rápido del proceso, debido a que disminuye la fase lag. Consumo completo del azúcar y evitar paradas fermentativas, porque hay microorganismos suficientes. Menor riesgo de off-flavors, es decir, de sabores y olores indeseados. Aptitud para fermentar en condiciones adversas, sin que afecte a la calidad organoléptica.

La calidad y seguridad de un producto fermentado depende de: -

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Materia prima: que esté en perfecto estado sanitario, con una madurez adecuada, y que haya sufrido un proceso de recolección y transporte correctos. Tecnología de elaboración: se refiere al control de la temperatura, la utilización de materiales no porosos como el acero inoxidable, automatismo de los procesos, mayor limpieza e higiene… Esta rama tiene una evolución constante durante los años. Microorganismos implicados: son la base de una fermentación. En 1876, Pasteur ya pensaba y decía que “Las cualidades del vino dependen en gran parte de la naturaleza de las levaduras que se desarrollan durante la fermentación de los mostos”.

Las ventajas de la fermentación de alimentos son: -

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Método de conservación: alarga la vida útil, como pH, H2O2, EtOH, bacteriocinas y zimocinas. Estas últimas son sustancias liberadas por bacterias lácticas y levaduras, respectivamente, que son tóxicas para otros microorganismos. Se utilizan como bioconservantes. Modificaciones de las características organolépticas: textura y flavor. Aumenta el valor nutritivo: aminoácidos, péptidos (probióticos), glicoproteínas, vitaminas, minerales… Efectos indeseables: atóxicos y/o mayor digestibilidad.

Los tipos de fermentaciones que se dan en alimentos son, partiendo de azúcares simples y en presencia de N, dependiendo del microorganismo: -

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Fermentación alcohólica: cuando en el medio hay levaduras como Saccharomyces cerevisiae, para dar etanol y CO2, entre otros. Fermentación láctica: si en el medio se encuentran bacterias lácticas, como Lactobacillus, Lactococcus o Leuconostoc, se va a obtener principalmente ácido láctico, y pequeñas cantidades de ácido acético, etanol y CO2. Fermentación acética: si en el medio hay bacterias acéticas, como Gluconobacter o Acetobacter, dependiendo de si es uno y otro, se obtendrá ácido glucónico y/o ácido acético, respectivamente. Fermentación propiónica: a partir de glucosa y lactosa, si hay bacterias propiónicas, como Propionibacterium, se obtiene ácido propiónico. Se obtiene para la elaboración de algunos quesos, como los quesos suizos. Fermentación maloláctica: la fermentación malolática no es de azúcares, sino que es la conversión del ácido málico en ácido láctico, con pequeñas cantidades de CO2. Lo llevan a cabo Oenococcus que es una bacteria láctica, y se da en enología para la elaboración de algunos vinos tintos....