II. RESUMEN. I comprende los principios del metabolismo microbiano, características, clasificación y su regulación.

Transcripción

1 II. RESUMEN El texto de: Metabolismo Microbiano, tiene un carácter general de información y se desarrollo en base a libros, manuales, folletos y trabajos de investigación, con el objeto de servir como complemento en los cursos de Bioquímica y Microbiología dictados en la Escuela Profesional de Ingeniería de Alimentos de la Facultad de Ingeniería Pesquera y de Alimentos de la Universidad Nacional del Callao. El texto comprende once capítulos: El capitulo N 0 I comprende los principios del metabolismo microbiano, características, clasificación y su regulación. Los capítulos N 0 II y III se refieren a las diferentes vías bioquímicas de la fermentaciones microbianas y las fermentaciones lácticas de hexosas y pentosas. Los capítulos N 0 IV y V contienen los respectivos conocimientos de la respiración aerobia y anaerobia y sus alternativas. Los capítulos N 0 VI y VII explican los procesos bioquímicos relacionados al metabolismo de compuestos nitrogenados y al metabolismo microbiano de lípidos. Los capítulos N 0 VIII y IX comprenden el desarrollo del metabolismo microbiano por los procesos de quimiolitotrofia y fototrofia. Finalmente los capítulos N 0 X y N 0 XI se refieren a los modos metabólicos especiales y al metabolismo secundario de los microorganismos. 14

2 III INTRODUCCION PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN. Descripción y análisis del tema Dentro de la currícula de estudio de las Escuelas Profesionales de la Facultad de Ingeniería Pesquera y de Alimentos, existe el curso de BIOQUÍMICA que por su característica requiere un complemento práctico para la comprensión y aplicación de los procesos bioquímicos en la Ingeniería de Alimentos. Este trabajo será de mucho provecho para los alumnos del tercer al quinto ciclo de Ingeniería de Alimentos, ya que para muchos es tedioso comprender el metabolismo microbiano en los textos de Bioquímica, debido que algunos autores desarrollan capítulos aplicados a la Ingeniería y Tecnología de alimentos y se centran solo en algunos capítulos, muy pocos libros tienen un completo y amplio desarrollo de los problemas de cada tema y sin actualización de los últimos años. El enfoque que debe tener el texto debe incorporar la explicación detallada que el metabolismo microbiano es el conjunto de procesos por los cuales un microorganismo obtiene la energía y los nutrientes (carbono, por ejemplo) que necesita para vivir y reproducirse. Los microorganismos utilizan numerosos tipos de estrategias metabólicas distintas y las especies pueden a menudo distinguirse en base a estas estrategias. Las características metabólicas específicas de un microorganismo constituyen el principal criterio para determinar su papel ecológico, su responsabilidad en los ciclos biogeoquímicos y su utilidad en los procesos industriales de alimentos. En las Universidades del Perú hay muy pocos libros de Metabolismo microbiano que son directamente aplicativos para la ingeniería de Alimentos y que presenten una didáctica de fácil comprensión para el estudiante, de esta manera será muy útil en su formación y base para los demás asignaturas que siguen como, Microbiología General, Microbiología de los Alimentos, Fermentaciones Industriales y las asignaturas sobre Tecnología de los Alimentos. 15

3 Planteamiento del problema El material bibliográfico actualizado existente sobre Metabolismo microbiano es muy escaso, pero gran parte de la información actualizada se encuentra en idioma extranjero (ingles, portugués, francés, etc.) o en revistas científicas que no están al alcance de la mayoría de alumnos. La bibliografía en español sobre metabolismo microbiano en la biblioteca de nuestra Facultad si bien en cuanto a conocimientos básicos es satisfactoria, no es actual y carece de aplicación a la ingeniería de alimentos. El planteamiento del problema es el siguiente: Será posible elaborar un texto con información actualizada en el estudio sobre metabolismo microbiano sobre componentes principales de los alimentos, explicar el comportamiento de los microorganismos en los alimentos, su interacción y la influencia de los factores externos aplicativos a la bioquímica del Metabolismo microbiano? OBJETIVOS Y ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN. a.-propósito de la Investigación El presente trabajo constituye una investigación de recopilación, registro y formulación de material bibliográfico orientado a reforzar los aspectos técnicos y fomentar la labor de adaptarlos e innovarlos. OBJETIVO GENERAL. Elaborar un texto de: Metabolismo Microbiano que sirva como material auxiliar en la Asignatura de Bioquímica y Microbiología de la Facultad de Ingeniería Pesquera y de Alimentos. 16

4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS a) Recopilar información actualizada de los capítulos sobre metabolismo microbiano; contenidos en la asignaturas de Bioquímica y Microbiología General, plantear y solucionar los problemas de aplicación. b) Optimizar y sistematizar conceptos teóricos de XI Capítulos que permitan que el estudiante adquiera los conocimientos teóricos y prácticos de las características bioquímicas del metabolismo microbiano sobre cada uno de los componentes principales de los alimentos, Explicar el comportamiento de los microorganismos en los alimentos, su interacción y la influencia de los factores. c) Presentar información actualizada al estudiante sobre los procesos bioquímicos que se realizan en forma normal y sus posibles alteraciones relacionadas con la composición, procesamiento y descomposición de los alimentos por parte de los microorganismos. ALCANCES DE LA INVESTIGACIÓN a) Investigación Aplicada b) Los beneficiarios con el desarrollo de este texto, serán los estudiantes y profesionales de la Carrera Profesional de Ingeniería de Alimentos y de otras especialidades afines como la Ingeniería Química, Industrial, Agroindustrial, Ambiental y otros. IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN. IMPORTANCIA El texto de: Metabolismo Microbiano permitirá que el usuario lector, sea estudiante o no, tenga un material auxiliar en donde podrá encontrar temas básicos y aplicados a la Bioquímica de los Alimentos y que se relacionen con las practicas de laboratorio que son realizadas en las instalaciones del Laboratorio General de Chuchito de la Universidad Nacional del Callao. 17

5 La Bioquímica para el estudiante de Ingeniería de Alimentos, debe servir como instrumento científico, que permita la adecuada interrelación de los fenómenos bioquímicos de las reacciones químicas en los alimentos por acción microbiana que en el futuro servirán para una fácil comprensión de los cursos de carrera como Bioquímica de Alimentos, Microbiología General, Microbiología de los Alimentos, Biotecnología y las asignaturas de Tecnología de Leche, Carne y Productos Vegetales, etc. La mayoría de los textos de Bioquímica de los alimentos hacen mención de la composición y procesos en los alimentos, en forma general faltando información detallada sobre los procesos bioquímicos que se realizan en forma normal y sus posibles alteraciones relacionadas con la composición, procesamiento y descomposición de los alimentos por microorganismos. La información se compilará luego de una exhaustiva búsqueda, revisión y análisis de material bibliográfico existente en textos, revistas especializadas y otros documentos nacionales y extranjeros, de allí la importancia del presente trabajo que permitirá generar un material auxiliar de consulta y estudio para los alumnos de la Facultad de Ingeniería Pesquera y de Alimentos. JUSTIFICACIÓN. El estudiante necesita tener acceso a información científica actualizada en textos de Bioquímica que contengan además de información básica sobre las principales vías metabólicas, referencia de investigaciones actuales publicadas en revistas científicas tanto nacionales como internacionales y de Internet que aplican los conocimientos del Metabolismo microbiano a la elaboración y mejoramiento de productos alimentarios. En este concepto, la tarea del docente universitario, es de elaborar textos de consulta, diseñados específicamente para cubrir las necesidades de los alumnos, se hace casi ineludible sobre todo en el caso de la Bioquímica y su aplicación a la Ingeniería de Alimentos. Como la información de este curso mayormente existe en el área de Ingeniería Química y algunos en el área de biología (salud) y con capítulos teóricos y sin 18

6 aplicaciones practicas, entonces se hace necesario hacer un texto de Metabolismo Microbiano apuntando a los capítulos relacionados del silabo de Bioquímica de la Escuela Profesional de Ingeniería de Alimentos. Es importante, asimismo, indicar que la elaboración de un texto de: Metabolismo Microbiano permitirá complementar la bibliografía existente, haciéndolo accesible y de fácil comprensión para alumnos y docentes. ANTECEDENTES TÉCNICOS Y DATOS VINCULADOS A LA INVESTIGACIÓN CON LA PRECISIÓN DE LA FUENTE BIBLIOGRAFICA. Un aspecto de la importancia de la Bioquímica estriba en ver como se pueden aplicar los principios del metabolismo microbiano a la Ingeniería de Alimentos. En acción muestran la relevancia de las vías metabólicas bioquímicas en los campos de la Biología, Nutrición, Microbiología, Tecnología e Ingeniería de Alimentos desarrollando en forma detallada y didáctica los capítulos sobre: Principios del metabolismo microbiano, fermentaciones microbianas, fermentaciones lácticas de hexosas y pentosas, respiración aerobia, respiración anaerobia, metabolismo de compuestos nitrogenados, metabolismo microbiano de lípidos, quimiolitotrofía, fototrofía, modos metabólicos especiales y metabolismo secundario con sus aplicaciones a la carrera de Ingeniería de Alimentos. La información básica que se utilizará para la redacción del texto de: Metabolismo Microbiano es la siguiente: Dentro de las referencias de los Principios del metabolismo microbiano, la Escuela de Ingeniería Bioquímica en el V Curso latinoamericano de Biotecnología (1996), señalaron que el crecimiento equilibrado de un microorganismo requiere de la integración de un gran número de rutas metabólicas (alrededor de 2000 procesos bioquímicos diferentes), interconectados, que participan en un correcto flujo de energía y carbón hacia la formación de más materia celular, los cuales deben operar coordenadamente y permitirle, al menor costo energético una adaptación a condiciones ambientales cambiantes (tanto químicas como físicas). Indicaron q ue en general la regulación y fisiología funciona a través de controles ejercidos sobre las enzimas claves de vías metabólicas y sobre los genes que codifican para enzimas o proteínas importantes en el comportamiento microbiano. 19

7 Sobre la Fermentación Alcohólica, Mesas, J. M. y M. T. Alegre (1999) estudiaron los principales microorganismos implicados en la elaboración del vino y de las posibles alteraciones del mismo. Muestran los principales grupos de microorganismos y los mecanismos bioquímicos por los que se llevan a cabo las distintas alteraciones. Finalmente tratan las tendencias actuales de la microbiología enológica destacando algunos de las principales técnicas empleadas en la manipulación genética de los microorganismos del vino y los factores que influyen en las fermentaciones y enfermedades anaeróbicas del vino. Al respecto Cotillas, P. E. (2004) menciona que las clarificaciones en vinos se acompañan de cambios como la disminución general de los compuestos fenolicos y del color, disminución de partículas de los compuestos poco o muy fuertemente polimerizados con una reducción de la astringencia. Informan además que según las dosis de clarificante y del equilibrio clarificante-vino se nota una suavización que puede conllevar a una pérdida de volumen del cuerpo y a una cierta seguridad gustativa. Por su parte, Nelson D. L. y M.M. Cox (2005), refieren que la cerveza se prepara por fermentación etanolica de los glucidos presentes en los granos de cebada por parte de enzimas glucoliticas de la levadura. Los glucidos, básicamente polisacaridos, deben ser previamente degradados a mono y disacáridos por enzimas tales como la amilasa y la maltasa. Las células de levadura pasan a metabolizar el azúcar de forma anaeróbica, fermentan los azucares a etanol y C0 2. Una vez que se ha detenido la fermentación se separan las células y la cerveza cruda esta lista para el tratamiento final. En cuanto a la Fermentación acética, Pares R. y A. Juares (1997) indican que las bacterias del acido acético son estrictamente aerobias, se distribuyen en los géneros Acetobacter y Gluconobacter. Además de la fermentación acética, pueden formar acido gluconico de la glucosa, sorbosa del sorbitol, dihidroxiacetona de la glucosa y 5.cetogluconato de la glucosa. Las bacterias del acido acético oxidan muchos alcoholes y ácidos orgánicos como el pirúvico y el alcalino, algunos de ellos producen celulosa. Estas bacterias pueden aislarse fácilmente del vinagre y también del vino, la cerveza o los zumos de frutas agriados. 20

8 Para el capítulo de Fermentaciones lácticas, García M., R. Quintero y A. López (2007), indican el yogur es un producto lácteo fermentado que resulta de crecimiento de las bacterias lácticas Lactobacillus delbrueckii ss bulgaricus y Streptococcus salivarius ssp thermophilus en leche. De esta fermentación debe resultar un líquido suave y viscoso a un gel de textura firme, uniforme, con una mínima sinéresis y un sabor característico. Lactobacillus delbrueckii es un bacilo fermentativo Gram. positivo, largo, no móvil, el cual produce acido D (-) Láctico, es capaz de fermentar fructosa, galactosa glucosa y lactosa, pero no así maltosa y sacarosa. Streptococcus salivarius es una bacteria Gram. positiva, esférica, es homofermentativa y produce acido L (+) Láctico a partir de g lucosa, fructosa, lactosa o sacarosa. Por otro lado, Kolman J. y K. H. Röhm (2004), señalan que la fermentación láctica desempeña un papel importante en la producción de la col agria o de alimentos para animales (silajes). Los productos se conservan bien porque la disminución del ph que se presenta durante la fermentación inhibe el crecimiento de las bacterias causantes de la putrefacción. Además, Morales O. et al (2000), indican que el acido láctico y sus sales se utilizan en la industria de los alimentos, como acidulantes, saborizantes y como conservadores a partir de suero de leche o medios sintéticos conteniendo lactosa, sacarosa o glucosa como única fuente de carbono, melazas, hidrolizados o fructosa y que la producción actual de acido láctico es a partir de glucosa y/o fructosa utilizando Lactobacillus delbrueckii. En cuanto al capítulo de respiración aerobia, Madigan M., J. Martinko y J. Parker (1998) indican que Staphylococcus y Micrococcus son organismos aerobios con un metabolismo respiratorio típico y pueden diferenciarse fácilmente a partir de la prueba de la oxidación-fermentación pues Micrococcus es un aerobio obligado y produce ácidos a partir de la glucosa solo aeróbicamente, mientras que Staphylococcus es un aerobio facultativo y produce acido a partir de la glucosa tanto aeróbicamente como anaerobicamente. Los estafilococos son patógenos habituales de los humanos y otros animales y pueden causar infecciones graves y provocar intoxicaciones alimentarias. 21

9 Dentro de las referencias del metabolismo microbiano aerobio, Mathews C. K, K. E. Van Hold y K. G. Ahern (2004), refieren que el ciclo del acido cítrico es la ruta central de oxidación de los hidratos de carbono, los lípidos, y las proteínas. Durante el ciclo se generan transportadores electrónicos reducidos, fundamentalmente NADH 2 y su reoxidación en las mitocondrias aporta la energía para la síntesis del ATP. Las reacciones anapleroticas reponen los intermediarios del ciclo del acido cítrico que se consumen en las rutas de biosíntesis. Además señalan que en las plantas y bacterias, el ciclo del glioxilato cortocircuita las reacciones de descarboxilación del acido cítrico, permitiendo que la Acetil CoA experimente una conversión neta en hidratos de carbono. Un ciclo alternativo de oxidación de los hidratos de carbono, la ruta de la pentosa fosfato, genera NADPH para la biosíntesis reductora y pentosa fosfato para la biosíntesis de nucleótidos. Sobre la Fermentación butírica, Frazier W. C. y D. C. Westhoff (2003), indican que en los productos enlatados las especies de Clostridium pueden ser fermentadoras de azucares, como Clostridium butiricum y C. pasteurianum, y producir fermentación de tipo butírico en alimentos ácidos o de acidez media, con abombamiento del recipiente por la producción de CO 2 e hidrogeno. Otras especies como Clostridium sporogenes, Clostridium putrefaciens y Clostridium botulinum son proteolíticos o putrefactivos, descomponiendo las proteínas con formación de malos olores debidos a sustancias tales como indol, escatol, amoniaco, mercaptano y sulfuro de hidrogeno. Los anaerobios de la putrefacción también originan dióxido de carbono e hidrogeno, que abomban a enlatados y se unen a las alteraciones producidas por las bacterias del agriado, constituyendo los tipos principales de alteraciones biológicas a que se encuentran sometidos los alimentos enlatados como consecuencia de un tratamiento deficiente. En cuanto al capítulo de metabolismo de compuestos nitrogenados, Mossel D.A.A., B. Moreno y S. B. Struijk (2006), refieren que el crecimiento de los microorganismos causa inevitablemente cambios químicos y los metabolitos producidos por los microorganismos en los alimentos proteicos tales como la carne incluyen amoniaco, etanol, lactato, acetato, indol y acetoína, con cantidades menores de ácidos grasos de cadena larga, aminas, etil esteres de los ácidos grasos de cadena corta, sulfuros de hidrogeno y mercaptanos. En el pescado se forman compuestos parecidos, así 22

10 como la trimetilamina y niveles más elevados de las denominadas aminas vasoactivas o vasopresoras como la histamina. Por su parte, Atlas R. M. y R. Bartha (2005), informan que la fijación biológica del nitrógeno molecular la llevan a cabo diversos géneros de bacterias de vida libre, algunos de los cuales están asociados a la rizosfera, y géneros de bacterias que forman asociaciones mutualistas con plantas. METODOLOGIA Teniéndose entendido que el tema de la investigación es elaborar un texto, no se determina el universo de estudio, tampoco técnicas estadísticas. La metodología para la concentración será la siguiente: Formulación del índice del texto. Identificación de la información. Análisis de la información. Redacción del texto en función al índice. Revisión de la redacción y la complementación. Presentación del texto. INDICE GENERAL I. Principios del metabolismo microbiano. II. III. Fermentaciones microbianas. Fermentaciones lácticas de hexosas y pentosas. IV. Respiración aerobia. V. Respiración anaerobia. VI. Metabolismo de compuestos nitrogenados. VII. Metabolismo microbiano de lípidos. VIII. Quimiolitotrofia. IX. Fototrofia. X. Modos metabólicos especiales. XI. Metabolismo secundario. 23