Cultivos Estárter: Seguridad, funcionalidad y propiedades tecnológicas.

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1 Cultivos Estárter: Seguridad, funcionalidad y propiedades tecnológicas. Enrique Alfonso Cabeza Herrera 1 PhD en Ciencia y Tecnología de los Alimentos, Universidad de León, España. Microbiólogo, Especialista en Protección de Alimentos, Universidad de Pamplona, Colombia Introducción Los cultivos estárter han sido objeto de estudio y desarrollo durante los últimos 40 años con el fin de reducir el tiempo de fermentación, asegurando un contenido residual bajo en nitratos y nitritos en los productos, y contribuyen con el establecimiento de las características organolépticas finales (González-Fernández y col., 2006). Un cultivo estárter consiste en una especie o combinación de especies microbianas que una vez adicionados a un producto originan un conjunto de transformaciones en los componentes básicos (glúcidos proteínas lípidos) con un resultado final que se manifiesta en el cambio de la textura, color y flavor del producto final, incrementando su poder de conservación y en ocasiones aportan efectos benéficos para la salud del consumidor probióticos- (figura 1). Los microorganismos empleados como cultivos estárter pueden ser bacterias, levaduras y mohos individualmente o una mezcla de ellos (bacteria-bacteria; bacteria-levadura; bacteria-moho; moho-moho; moho-levadura; levadura-levadura). La bioquímica de las transformaciones que tienen lugar en los sustratos se presenta resumido en el siguiente esquema: Azúcares Ácidos Alcoholes, Aldehídos Proteínas Amino ácidos Alcoholes, Aldehídos Lípidos Ácidos Grasos libres Cetonas 1 Correspondencia: Departamento de Microbiología, Facultad de Ciencias Básicas, Universidad de Pamplona, Ciudadela Universitaria, Km. 1, vía Bucaramanga. Pamplona. Norte de Santander. Colombia.

2 Materia prima Cultivo estárter Nuevo producto Proteínas Carbohidrato s Lípidos Bacterias Mohos Levaduras Enzimas Conservació n Textura Flavor Aroma Salud Figura 1. Principio del proceso de interacción materia prima cultivo estárter nuevo producto. Seguridad, funcionalidad y propiedades tecnológicas de los cultivos estárter Las propiedades deseadas de los cultivos iniciadores para asegurar la producción de alimentos con una alta calidad tecnológica han sido revisadas por Jessen (1995) y Krockel (1995). Las bacterias más prometedoras como cultivos estárter o iniciadores son aquéllas que se aíslan de la microbiota nativa de los productos tradicionales. Estos microorganismos se adaptan bastante bien a las condiciones medioambientales que ofrece el sustrato y son capaces de controlar y sobreponerse a la microbiota alterante de los productos. Para la selección de cepas con potencial actividad como cultivo iniciador o estárter, debe reunir un conjunto de características entre otras a tener en cuenta: Evaluar y disponer de información experimental suficiente sobre su metabolismo y actividades, ya que en algunos casos su efecto sobre los sustratos puede ser limitado, en otros casos solo se manifiesta a muy alta concentración de bacterias, y en algunos el efecto no existe. Que estén reconocidos como GRAS (generalmente reconocidos como seguros, FDA - EEUU). Deberá ser capaz de ser producido en forma viable y en gran escala. Durante su uso y almacenamiento, deberán permanecer viables y estables.

3 Se debe realizar una correcta selección, conservación, manejo, y resiembra de los cultivos estárter, es lo que permite estandarizar y mantener una calidad uniforme del producto final. Los principales grupos empleados como cultivos estárter son (a nivel individual como en cultivos mixtos): 1. Bacterias de utilidad: industria láctea, cárnica, vegetales y cereales: bacterias ácidolácticas homo y heterofermentativas (BAL) de las familias Lactobacillaceae (Lb. acidophillus. Lb. casei, Lb. bulgaricus, Lb. helveticus, Lb. lactis, Lb. paracasei, Lb. delbruekii, Lb. rhamnosus) y Streptococcaceae (Str. lactis subsp. cremoris, Str. lactis subsp. diacetylactis, Str. thermophilus, Str. lactis, Leuconostoc mesenteroides, Leuconostoc cremoris, Leuconostoc lactis, Leuconostoc dextranicum, Leuconostoc oenos), bacterias acéticas de la familia Acetobacteriaceae (Géneros Acetobacter spp., Acetomonas spp., Gluconobacter spp), bacterias reductoras de nitratos como Micrococcus spp y Staphylococcus spp (Sth. xylosus y Sth. carnosus) entre otras. 2. Levaduras de los géneros Saccharomyces (S. cerevisiae, S. boulardii), Cándida (C. utilis), Debaryomyces y Kluyveromyces (K. fragilis) para cervecería, vinificación, destilería, panificación y elaboración de alimentos orientales a base de cereales (arroz y soja). 3. Mohos de los géneros Penicillium spp, Aspergillus spp, Rhizopus spp, Geotricium spp., para elaboración de quesos, productos de charcutería y alimentos orientales a base de cereales (arroz y soja). Figura 2. Preparación de cultivos estárter En la figura 2 puede observarse de forma esquemática el proceso general de elaboración y propagación de los cultivos estárter empleados a gran escala. El proceso comienza con la elaboración del cultivo madre (2), este cultivo se prepara a partir del cultivo liofilizado o comercial (1)

4 suspendiendo la cantidad deseada en la solución adecuada para el fin que se requiera, por ejemplo, para la elaboración de yogurt el cultivo liofilizado se suspende en leche estéril. A partir de este cultivo madre se prepara el cultivo intermedio suspendiendo una cantidad mayor del cultivo 2. Finalmente se elabora el cultivo industrial o de trabajo, el cuál es el cultivo que se usa para inocular directamente el producto a transformar. En la industria láctea, por ejemplo el cultivo madre se prepara tradicionalmente en botellas de 100 ml provistas de tapa con membrana y es inoculada con una jeringa esterilizada a partir del cultivo comercial. Luego se inocula con el cultivo madre la leche que se encuentra en el envase de cultivo intermedio. Finalmente con el cultivo intermedio se inocula la leche que se encuentra en el tanque de cultivo industrial. Todas estas etapas deben realizarse bajo condiciones asépticas para evitar la contaminación de los cultivos. Figura 3. Diversas formas de presentación de cultivos iniciales o estárter: polvo, granulado, líquido, liofilizado, etc. Algunas aplicaciones de los cultivos estárter son: 1. Producción de alcohol para la industria vinícola y cervecera. Las cepas de la levadura Saccharomyces cerevisiae de fermentación alta ya que sube a la superficie al final de la fermentación se emplea para la producción de cerveza tipo ALE a una temperatura de 15-32ºC. Por otra parte Saccharomyces uvarum (antes Saccharomyces carlsbergensis) de fermentación baja, que cae al fondo de la cuba al final de la fermentación se emplea para

5 la obtención de cerveza tipo LAGER a temperaturas de 6-15ºC. Para la producción de vinos de forma artesanal, durante las primeras etapas de la fermentación crece Kloeckera y Hanseniasporas, levaduras nativas que son desplazadas posteriormente por Saccharomyces cerevisiae. Las dos primeras pueden constituirse como contaminantes de estos productos. A escala industrial el inicio de la fermentación se logra inoculando el zumo de la uva con un cultivo de S. cerevisiae. Posterior a la fermentación alcohólica, se puede desarrollar una fermentación maloláctica, la cual es llevada a cabo por Leuconostoc (BAL) o por sus enzimas, para transformar el ácido L málico en ácido L láctico y CO 2. Esta descarboxilación conlleva una desacidificación del vino y permite la eliminación de la acidez málica biológicamente inestable y que confiere al vino un verdor indeseable en los vinos de alta calidad. Además de una desacidificación, dota al vino de una estabilidad biológica mayor en presencia de una cantidad débil de anhídro sulfuroso. 2. Producción de pan ácido: comúnmente denominado Pan de San Francisco, donde intervienen levaduras de las especies Saccharomyces cerevisiae, Cándida krusei, Cándida tropicalis, Torulopsis holmii y bacterias ácido-lácticas de los géneros Lactobacillus, Leuconostoc y Pediococcus. 3. Producción de derivados lácteos, como el yogurt (ver resumen bacterias ácido-lácticas como estárter para industria láctea) y quesos. Con respecto a estos últimos, adicional al papel de las BAL está el importante rol que cumplen los mohos y otras bacterias (por ejemplo las propiónicas). Penicillium camemberti (sinónimo de P. caseicolum) se emplea para la elaboración de quesos de pasta blanda y corteza florida como el Camember o el Brie. Durante la maduración de estos quesos el Penicillium consume el ácido láctico producido por las BAL desacidificando la cuajada, además producen sustancias que modifican el sabor y aroma de los diferentes quesos. Penicillium roqueforti (sinónimo de P. glaucum) es empleado en la producción de los denominados quesos de pasta azul como el queso roquefort, Gorgonzola, Stilton, Azules de Auvergne, Bresse o el Danés. Contrariamente a lo que ocurre con la mayoría de los mohos, este tiene la particularidad de soportar tensiones bajas de oxígeno (Moreau, 1995). Este moho se suele añadir a la leche antes del cuajado, aunque algunas veces se incorpora a la cuajada en el momento del moldeado. La pasta se airea mediante un pinchado con agujas o recientemente empleando bacterias del género Leuconostoc que abren la masa al producir gas (CO 2 ). Estos mohos participan en la maduración de los quesos por medio de sus enzimas proteolíticos pero más por sus enzimas lipolíticos. En su acción liberan ácidos grasos a partir de los lípidos, que posteriormente son oxidados a metil-cetonas, que a su vez se reducen a alcoholes secundarios. De esta forma se origina el particular aroma de los quesos de pasta azul. Otro moho empleado en la producción de quesos de corteza lavada como el Pont-L Evêque es

6 Geotrichium candidum (sinónimo de Oidium lactis u Oospora lactis). Este moho es importante durante el principio de la maduración ya que neutraliza la pasta y favorece el desarrollo de microorganismos caseolíticos como Micrococcus varians, después debe ser inhibido para que no ocasione el defecto de superficie pegajosa y grasienta, y no altere el aroma y sabor de estos quesos. Su expansión se frena añadiendo sal y disminuyendo la temperatura de las salas de maduración (por debajo de 15ºC) al final del desuerado. Las bacterias propiónicas (Propionibacterium schermanii, P. freudenreichii, P. pentosaceum, P. arabinosum, etc.) son importantes para la producción de quesos de pasta cocida como el Gruyère y el Emmental. En este caso las bacterias transforman el ácido láctico y los lactatos resultantes de la fermentación por BAL en CO 2, acetato (ácido acético) y ácido propiónico (propionato), y menores cantidades de ácidos isovalérico, fórmico, succínico y láctico. Por otro lado, los micrococos (Micrococcus conglomeratis y Micrococcus varians) intervienen en la maduración del queso Camembert y del Livarot, M. conglomeratis y Corynebacterium flabescens intervienen en la maduración del queso Brie y del Munster. Todas estas especies constituyen junto con Staphylococcus xylosus, Brevibacterium linens y Brevibacterium citreum, con las levaduras del tipo Debaryomyces hansenii y Yarrowia lipolitica, y con el moho Geotrichium candidum los microorganismos estárter de los llamados quesos aromatizados. 4. Producción de embutidos. Este tipo de derivados se obtiene por la acción principal de las BAL (principalmente lactobacilos y pediococos) (ver resumen bacterias ácido-lácticas como estárter para industria cárnica). Sin embargo, también se emplean algunas levaduras (Debaryomyces hansenii, Candida deformans) y mohos (Penicillium commune, Penicillium nalgiovense o Scopulariopsis flava) en la elaboración de salchichón y salamis para lograr la capa blanca que recubre la superficie de estos productos. Por otro lado, también aportan modificaciones del sabor y olor en estos productos por actividad de sus enzimas lipolíticos y proteolíticos. Por otra parte, en la elaboración de embutidos fermentados las Micrococcaceae (Staphylococcus xylosus, S. carnosus, o S. simulans) constituyen un grupo importante de los cultivos estárter empleados en esta industria, ya que ellas reducen los nitratos a nitritos (mejorando el color del producto e inhiben el crecimiento de Clostridium botulinum). También cumplen un importante papel en la lipólisis ya que sintetizan aromas esenciales para la calidad organoléptica del producto. Su catalasa destruye los peróxidos responsables de los defectos de coloración y de sabores rancios. Además, si se complementa con la levadura Debaryomyces hansenii se mejora la aromatización de los productos debido a la suma de la actividad lipolítica de la levadura.

7 5. Elaboración de productos orientales a base de arroz y Soja. Desde hace muchos siglos la cocina del extremo oriente emplea mohos como agentes de fermentaciones con una doble finalidad: mejorar la digestibilidad de las materias primas (gracias a las enzimas amilolíticas, celulolíticas, proteolíticas y lipolíticas) y aportar interesantes características organolépticas (Moreau, 1995). En este orden de ideas, a pesar de la gran variedad de mohos que intervienen en los procesos fermentativos, se utilizan fundamentalmente Rhizopus oryzae, Rhizopus microsporus, Aspergillus oryzae, Aspergillus parasiticus (cepas no toxigénicas antes Aspergillus sojae) y Amylomyces rouxii. Así tenemos por ejemplo el Koji y el Miso, platos de arroz fermentados con A. oryzae o A. parasiticus. El Shoyu es un Koji de 72 horas cuyo sustrato está constituido por soja y harina de trigo mezclado con un 18% de salmuera y una larga fermentación por diversos mohos, levaduras y BAL. El Tofu (bebida de soja) y Tempeh (soja) son productos fermentados obtenidos por acción de Rhizopus oryzae o R. microsporum, el Chu (bolitas de harina de arroz) se obtiene por acción de Amylomyces rouxiik y el Sufu (queso de soja) se obtiene por acción del Actinomucor elegans sobre el Tofu. El Natto es un alimento japonés fermentado a base de soja y arroz donde intervienen cepas de Bacillus natto y Aspergillus oryzae, existen tres clases: el Itohiki-natto (B. natto), el Yuki-wari-natto (mezcla de Koji y Itohiki-natto), y el Hama-natto (A. oryzae). También se pueden obtener bebidas como el Sake (Arroz fermentado por Amylomyces rouxxi y en menor medida por aspergillus oryzae). 6. Elaboración de vegetales fermentados: en este tipo de productos participan activamente las BAL (Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus brevis, Lactobacillus plantarum, Streptococcus faecalis, Pediococcus rhamnosus y Pediococcus cerevisiae). Los principales productos vegetales obtenidos son las coles Sauerkräut-, pepinillos y aceitunas (Guern, 1995). (Para mas detalles ver el resumen del papel de las BAL como cultivos estárter para la industria láctea y cárnica). 7. Producción de vinagre. Finalmente, las bacterias acéticas son importantes para la producción de vinagre. Sin embargo según la experiencia obtenida en la industria, para la producción de vinagre es mejor utilizar cepas que no se han obtenido de cultivos puros, ya que la conservación de la capacidad de estas cepas para la fermentación se ve reducida cuando se mantienen en cultivos, por lo que la venta y comercialización de este tipo de cultivo estárter está muy limitada. Las principales bacterias empleadas en esta industria pertenecen a la familia Acetobacteriaceae (Géneros Acetobacter spp., Acetomonas spp., Gluconobacter spp).

8 Como conclusión se puede definir que la funcionalidad de los cultivos estárter no radica solamente en la transformación y obtención de alimentos fermentados, otras importantes propiedades son (1) La producción de sustancias antimicrobianas (por ejemplo bacteriocinas por BAL, la lisostafina por cepas modificadas de Penicillium nalgiovense o BAL, reutericiclina por cepas de Lb. reuteri. (2) Mejora de los procesos de producción y hacerlos más fiables. (3) Ventajas tecnológicas (4) Obtención de productos benéficos a la salud. Bibliografía González-Fernández, C., Santos, E.M., Rovira, J., Jaime, I. (2006). The effect of sugar concentration and starter culture on instrumental and sensory textural properties of chorizo- Spanish dry-cured sausage. Meat Science, 74: Guern, J.L. (1995). Capítulo 7: Los vegetales fermentados. En ICMSF, Microbiología Alimentaria Vol. 2., Las fermentaciones alimentarias. (pp ). Editorial Acribia S.A. Zaragoza. España. Harrigan, W.F. (1998). Chapter 3: Raw meat and raw meat products. In Laboratory Methods in Food Microbiology. 3 rd edition. Academic Press. San Diego, California. USA. Ps Leroy, F., Verluyten, J., De Vuyst, L. (2006). Functional meat starter cultures for improved sausage fermentation. International Journal of Food Microbiology, 106, Moreau, C. (1995). Capítulo 3: los mohos. Parte I: los microorganismos de las fermentaciones. En ICMSF, Microbiología Alimentaria Vol. 2., Las fermentaciones alimentarias. (pp ). Editorial Acribia S.A. Zaragoza. España.

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