Cultivos Iniciadores Funcionales: Una Nueva Perspectiva para las Industrias de Alimentos Fermentados
descargar 39.81 Kb.
|
Cultivos Iniciadores Funcionales: Una Nueva Perspectiva para las Industrias de Alimentos Fermentados1. Evolución de los cultivos iniciadores Tradicionalmente, la obtención de alimentos fermentados se ha basado en la actividad metabólica de la microbiota natural o contaminante existente en las propias materias primas. En consecuencia, la composición microbiana del material de partida ejercía una influencia determinante en la calidad del producto final. Estas fermentaciones “espontáneas” se mejoraron mediante el procedimiento conocido como “back-slopping”, o lo que es lo mismo, mediante la inoculación de la materia prima con una pequeña cantidad del producto obtenido en una fermentación previa. Se trata de una práctica que favorece el predominio de las cepas con mejores propiedades tecnológicas ya que las fuentes del inóculo suelen ser productos que reúnen las características deseadas por el productor y/o el consumidor. De hecho, supone una selección inconsciente de ciertos microorganismos con el propósito de acortar el tiempo de fermentación y reducir el riesgo de un fracaso fermentativo. Actualmente, las fermentaciones espontáneas y el back-slopping siguen siendo utilizadas para la obtención de bebidas y alimentos fermentados en países poco desarrollados y, en menor medida, en los países desarrollados, especialmente en fermentaciones a pequeña escala y/o en el ámbito rural [1]. La situación es distinta cuando se analiza la producción a gran escala de productos fermentados, un sector muy importante de la industria alimentaria en los países occidentales [2]. El descubrimiento de que las bacterias lácticas eran vitales para las fermentaciones lácteas [3] supuso la base para su aislamiento, caracterización y explotación industrial [4]. De este modo nació la industria de cultivos iniciadores, que posteriormente se extendería a otros tipos de alimentos fermentados. La adición directa de cultivos iniciadores selectos representó todo un hito para este sector ya que permitía un mejor control del proceso fermentativo y, además, favorecía la estandarización de los productos finales. Ambas ventajas no sólo siguen vigentes en la actualidad sino que gozan de una importancia industrial indudable. Las cepas “industriales” se han ido aislando tanto de materias primas como de productos fermentados con éxito, y se han ido seleccionado de acuerdo con criterios que han evolucionado con el tiempo [5]. Se estima que para las aproximadamente 14 millones de toneladas de queso que se producen anualmente en el mundo, se emplean alrededor de 1021 bacterias lácticas como cultivos iniciadores [4]. Sin embargo, el empleo de cultivos iniciadores comerciales también plantea ciertos inconvenientes, en muchos casos derivados de que los criterios originales de selección no son exactamente los mismos que los que priman hoy en día. De hecho, tradicionalmente sólo se solían valorar dos propiedades en un cultivo iniciador: capacidad de acidificación rápida y resistencia a fagos [5]. Este criterio de selección, unido al escaso grado de innovación que durante mucho tiempo ha prevalecido entre las empresas dedicadas a la comercialización de cultivos, ha impedido o retrasado el empleo de cepas con otras propiedades que resultan tanto o más atractivas para el mercado actual. Para entender la evolución en los criterios de selección, hay que tener en cuenta que en las últimas décadas se han producido avances espectaculares tanto en la tecnología de los procesos fermentativos como en el conocimiento de los principales microorganismos involucrados (taxonomía, metabolismo, genética, ecología, etc.). Por otra parte, los cultivos industriales originales solían ser mezclas no bien definidas de diversos microorganismos que se tenían que mantener mediante propagación diaria. Parece indudable que esta práctica debió conducir al predominio de ciertas cepas y a la desaparación de otras antes de la generalización a escala industrial de otras formas de conservación de cultivos, como la congelación o la liofilización [6]. Además, existen propiedades metabólicas muy importantes para el desarrollo de los procesos fermentativos que están codificadas en plásmidos y que se pueden perder al someter a las cepas a subcultivos sistemáticos o al emplearlas en alimentos a los que no están adaptadas [2]. Todo ello ha conducido a una disminución en la biodiversidad de los cultivos iniciadores y, en consecuencia, a una pérdida de las características originales de diversos productos fermentados [7]. En contraste, las fermentaciones tradicionales o “artesanas” están frecuentemente promovidas por microorganismos silvestres que proceden de las materias primas, los equipos de procesado y/o del medio ambiente, y que inician el proceso fermentativo en ausencia de un cultivo iniciador comercial [8]. Además, muchos productos que se elaboran con cultivos iniciadores obtienen parte de sus propiedades organolépticas gracias a la actividad de microorganismos que no forman parte de dichos cultivos, sino que se desarrollan como una flora secundaria, especialmente durante el período de maduración [9]. En general, los microorganismos aislados de ecosistemas tan complejos como los alimentos fermentados tradicionales exhiben una gama de actividades metabólicas que difiere enormemente de la que poseen los cultivos industriales [10]. Las diferencias más notables se suelen centrar en el comportamiento en presencia de una microbiota competitiva, en la adaptación a ciertos sustratos alimenticios, en las propiedades antimicrobianas y/o en los atributos de calidad que confieren al producto final [2]. En este sentido, las cepas salvajes necesitan competir con otros microorganismos para sobrevivir en ambientes naturales hostiles, lo que explica que la producción de sustancias antimicrobianas sea un fenotipo frecuente entre este tipo de microorganismos [11]. Además, las cepas salvajes dependen más de su propia capacidad biosintética que las que forman parte de cultivos industriales. Así, y a modo de ejemplo, suelen ser más ricas en enzimas convertidoras de aminoácidos que juegan un papel clave en la formación del flavor típico de muchos alimentos fermentados [12]. Conviene subrayar que muchos de estos productos están sujetos a denominaciones de origen u otras marcas de calidad que juegan un papel muy importante en la supervivencia de plantas de fermentación a pequeña escala en un mundo en creciente globalización. En este contexto, existe una tendencia reciente que aboga por el aislamiento de cepas salvajes a partir de productos tradicionales para ser utilizadas como cultivos iniciadores en la fermentación de alimentos y bebidas [13]. 2. Las bacterias lácticas como cultivos iniciadores funcionales Las bacterias lácticas ocupan un papel central en los fenómenos fermentativos [14]; por una parte, provocan una acidificación rápida de las materias primas mediante la producción de ácidos orgánicos, entre los que destacan el ácido láctico y, en menor medida, el ácido acético. Por otra, producen otros compuestos importantes como etanol, compuestos aromaticos, bacteriocinas y otras sustancias antimicrobianas, exopolisacáridos y diversas enzimas. De esta manera, la vida útil, la seguridad microbiológica y la calidad organoléptica de los productos finales suelen aumentar notablemente en comparación con las de las materias primas de partida. Otro aspecto positivo es que prácticamente todas las cepas que forman parte de la microbiota natural de alimentos fermentados poseen un largo historial de consumo seguro [7, 15]. Las bacterias lácticas y los productos de su metabolismo han sido consumidos desde tiempos inmemoriales a través de alimentos fermentados, hecho que, salvo excepciones puntuales, ha conducido a su consideración como bacterias “seguras” o GRAS (“Generally Recognized As Safe”). Actualmente los consumidores prestan mucha atención a la relación entre la alimentación y la salud. Como consecuencia, el mercado de alimentos con propiedades beneficiosas para la salud (alimentos funcionales) ha crecido rápidamente en pocos años [16]. En contraposición con los aditivos químicos, los consumidores perciben las bacterias lácticas como algo “natural” y “beneficioso para la salud”, por lo que su empleo en la conservación de los alimentos goza de gran aceptabilidad. En este sentido, Aymerich y Hugas [17] consideran que si por bioconservación se entiende la extensión de la vida útil e incremento de la seguridad sanitaria de los alimentos mediante la microflora natural o sus metabolitos, entonces las bacterias lácticas son los candidatos ideales para su selección como cultivos bioprotectores. Así, no es de extrañar que se haya llegado a definir bioconservación como el empleo de bacterias lácticas, sus productos metabólicos o ambos para mejorar o asegurar la seguridad y calidad de los alimentos [18]. No obstante, los aditivos siguen siendo necesarios para conservar los alimentos y/o mejorar sus características organolépticas a pesar de que su uso se suela considerar, a menudo injustificadamente, como una práctica artificial y peligrosa. La creciente demanda de alimentos menos procesados y con menos aditivos parece en cierta forma contradictoria con el deseo de alimentos cada vez más seguros. En la industria quesera, por ejemplo, el empleo de leche cruda permite la obtención de quesos artesanos muy apreciados pero lleva consigo ciertos peligros, como el crecimiento de Listeria monocytogenes u otros patógenos. Por otra parte, la pasteurización de la leche da lugar a productos finales que son percibidos por el consumidor como menos atractivos o “aburridos” [19]. Estas tendencias de mercado suponen una fuerte presión para que las industrias busquen alternativas adecuadas. En el caso de los alimentos fermentados, los cultivos iniciadores constituyen uno de los puntos clave sobre los que se puede intervenir [2]. Aunque hasta el momento, la disponibilidad comercial de nuevas cepas ha sido muy limitada, el creciente conocimiento de la genómica, la proteómica y el metabolismo de los microorganismos de interés industrial abre nuevas perspectivas para la mejora de los cultivos iniciadores. De hecho, la biología molecular permite actualmente la expresión de ciertas propiedades deseables y la supresión de algunas indeseables en cepas que forman parte de cultivos iniciadores [19, 20, 21]. En los últimos años, se está explorando el empleo de cultivos iniciadores funcionales en las industrias de fermentados [22]. Se trata de cultivos que poseen al menos una propiedad funcional inherente que contribuye a la seguridad del alimento u ofrece ventajas organolépticas, tecnológicas y/o nutricionales (Tabla 1). La aplicación de cepas cuidadosamente seleccionadas como cultivos iniciadores o adjuntos en los procesos fermentativos puede conducir al desarrollo in situ de la propiedad deseada en un producto que sigue siendo perfectamente natural y saludable [23]. Se puede citar, como ejemplos, cepas de bacterias lácticas productoras de sustancias antimicrobianas [24, 25, 26, 27] (Fig. 1), de exopolisacáridos [28, 29] (Fig. 2), de ciertas enzimas [21, 30] o de sustancias con propiedades nutracéuticas [31, 32]. Tales cepas podrían permitir la sustitución (total o parcial) de algunos aditivos químicos por compuestos naturales, al mismo tiempo que se ofrecen nuevos alimentos atractivos para el consumidor actual [33]. Las especies más representativas en cuanto a su potencial para formar parte de cultivos funcionales se muestran en la Tabla 2. Por sus especiales connotaciones, las bacterias probióticas, es decir, con propiedades beneficiosas para la salud del consumidor, no se consideran en este artículo. El proceso de selección racional de las cepas más adecuadas resulta crucial para que realmente tengan éxito industrial. En este sentido, las cepas tienen que estar adaptadas tanto a los factores intrínsecos que prevalezcan en el alimento en cuestión como a las condiciones del procesado. Además, hay que tener en cuenta que algunas bacterias lácticas pueden inducir defectos o alteraciones en los productos finales [30] o, incluso, originar sustancias peligrosas, como las aminas biógenas [34]; en consecuencia, tales cepas deben ser descartadas durante el proceso de selección. Alternativamente, en el caso de cepas particularmente valiosas, se pueden seleccionar mutantes que carezcan de la propiedad indeseable [35]. Las tendencias de mercado y el marco legislativo actual confieren un gran atractivo a la aplicación industrial de cepas aisladas de alimentos naturales y convenientemente seleccionadas por su(s) propiedad(es) funcional(es). Por el contrario, el empleo de microorganismos genéticamente modificados despierta la hostilidad de unos consumidores que no han sido convenientemente informados sobre el proceso de obtención de tales organismos y los beneficios que pueden reportar [36]. No obstante, el espectacular avance de la biología molecular ofrece inmensas posibilidades para la construcción de cultivos de grado alimentario “hechos a medida” [19, 37, 38]. 3. Bibliografía [1] Harris, L.J. “The microbiology of vegetable fermentations”. En: Wood, B.J.B. (ed.), Microbiology of Fermented Foods, Vol. 1, pp. 45-72. Blackie, Londres,. (1998). [2] Leroy, F. y De Vuyst, L. “Lactic acid bacteria as functional starter cultures for the food fermentation industry”. Trends Food Sci. Technol. 15: 67-78 (2003). [3] Orla-Jensen, S. “The Lactic Acid Bacteria”. Andr. Fred. Host & Son, Copenhage (1919). [4] Stanley, G. “Cheeses”. En: Wood B.J.B. (ed.), Microbiology of Fermented Foods, Vol. 1, pp. 263-307. Blackie, Londres (1998). [5] Oberman, H. y Libudzisz, Z. “Fermented milks”. En: Wood B.J.B. (ed.), Microbiology of Fermented Foods, Vol. 1, pp. 308-349. Blackie, Londres (1998). [6] Sandine, W.E. “Commercial production of dairy starter cultures”. En: Cogan, T.M. y Accolas, J.P. (eds.), Dairy Starter Cultures, pp. 191-206. Wiley-VCH, Nueva York (1996). [7] Caplice, E. y Fitzgerald, G.F. “Food fermentations: role of microorganisms in food production and preservation”. Int. J. Food Microbiol. 50: 131-149 (1999). [8] Weerkamp, A.H., Klijn, N., Neeter, R. y Smit, G. “Properties of mesophilic lactic acid bacteria from raw milk and naturally fermented raw milk products”. Neth. Milk Dairy J. 50: 19-332 (1996). [9] Beresford, T.P., Fitzsimons, N.A., Brennan, N.L. y Cogan, T.M. “Recent advances in cheese microbiology”. Int. Dairy J. 11: 259-274 (2001). [10] Klijn, N., Weerkamp, A.H. y de Vos, W.M. “Detection and characterization of lactose-utilizing Lactococcus spp. in natural ecosystems”. Appl. Environ. Microbiol. 61: 788-792 (1995). [11] Ayad, E.H.E., VerheuL, A., Wouters, J.T.M. y Smit, G. “Antimicrobial-producing wild lactococci isolated from artisanal and non-dairy origins”. Int. Dairy J. 12: 145-150 (2002). [12] Ayad, E.H.E., Verheul, A., de Jong, C., Wouters, J.T.M. y Smit, G. “Flavour forming abilities and amino acid requirements of Lactococcus lactis strains isolated from artisanal and non-dairy origin”. Int. Dairy J. 9: 725-735 (1999). [13] Hébert, E.M., Raya, R.R., Tailliez, P. y de Giori, G.S. “Characterization of natural isolates of Lactobacillus strains to be used as starter cultures in dairy fermentation”. Int. J. Food Microbiol. 59: 19-27. [14] Wood, B.J.B. “Microbiology of Fermented Foods”. Blackie, Londres (1997). [15] Wood, B.J.B. y Holzapfel, W.H. “The Genera of Lactic Acid Bacteria”. Blackie, Londres (1995). [16] Nutrition Business Journal. “Functional Foods Report”. Penton Media (2002). [17] Aymerich, M.T. y Hugas, M. “Estado actual de la bioconservación en productos cárnicos”. Eurocarne 72: 39-49 (1998). [18] Montville, T.J. y Winkowski, K. “Biologically based preservation systems and probiotic bacteria”. En: Doyle, M.P., Beuchat, L.R. y Montville, T.J. (eds.), Food Microbiology Fundamentals and Frontiers, pp. 557-576. ASM Press, Washington (1997). [19] Law, B.A. “Controlled and accelerated cheese ripening: the research base for new technologies”. Int. Dairy J. 11: 383-398 (2001). [20] Delcour, J., De Vuyst, L. y Shortt, C. “Recombinant dairy starters, probiotics, and prebiotics: scientific, technological, and regulatory challenges”. Int. Dairy J. 9: 1-82 (1999). [21] Mogensen, G. “Starter cultures”. En: Smith, J. (ed.), Technology of Reduced-Additive Foods, pp. 1-25. Blackie, Londres (1993). [22] De Vuyst, L. “Technology aspects related to the application of functional starter cultures”. Food Technol. Biotechnol. 38: 105-112 (2000). [23] Ross, R.P., Stanton, C., Hill, C., Fitzgerald, G.F. y Coffey, A. “Novel cultures for cheese improvement”. Trends Food Sci. Technol. 11: 96-104 (2000). [24] Hugas, M., Garriga, M., Aymerich, M.T. y Monfort, J.M. “Inhibition of Listeria in dry fermented sausages by the bacteriocinogenic Lactobacillus sake CTC494”. J. Appl. Bacteriol. 79: 322-330 (1995). [25] McAuliffe, O., Hill, C. y Ross, R.P. “Identification and overexpression of ltnI, a novel gene which confers immunity to the two component lantibiotic, lacticin 3147”. Microbiology 146: 129-138 (2000). [26] Ruiz-Barba, J.L., Cathcart, D.P., Warner, P.J. y Jiménez-Diaz, R. “Use of Lactobacillus plantarum LPCO10, a bacteriocin producer, as a starter culture in Spanish-style green olive fermentations”. Appl. Environ. Microbiol. 60: 2059-2064 (1994). [27] Rodríguez, E., Gaya, P., Nuñez, M. y Medina, M. “Inhibitory activity of a nisin-producing starter culture on Listeria innocua in raw ewes milk Manchego cheese”. Int. J. Food Microbiol. 39: 129-132 (1998). [28] Ruas-Madiedo, P., Hugenholtz, J. y Zoon, P. “An overview of the functionality of exopolysaccharides produced by lactic acid bacteria”. Int. Dairy J. 12: 163-171 (2002). [29] De Vuyst, L., De Vin, F., Vaningelgem, F. y Degeest, B. “Recent developments in the biosynthesis and applications of heteropolysaccharides from lactic acid bacteria”. Int. Dairy J. 11: 687-707 (2001). [30] Wouters, J.T.M., Ayad, E.H.E., Hugenholtz, J. y Smit, G. “Microbes from raw milk for fermented dairy products”. Int. Dairy J. 12: 91-109 (2002). [31] Hugenholtz, J. y Kleerebezem, M. “Metabolic engineering of lactic acid bacteria: overview of the approaches and results of pathway rerouting involved in food fermentations”. Curr. Opinion Biotech. 10: 492-497 (1999). [32] Meisel, H. y Bockelmann, W. “Bioactive peptides encrypted in milk proteins: proteolytic activation and tropho-functional properties”. Antonie van Leeuwenhoek Int. J. Gen. Mol. Microbiol. 76: 207-215 (1999). [33] Thomas, L.V., Clarkson, M.R. y Delves-Broughton. “Nisin”. En: Naidu A.S. (ed.), Natural Food Antimicrobial Systems, pp. 463-524. CRC Press, Boca Raton (2000). [34] Ten Brink, B., Damink, C., Joosten, H.J. y Huis in’t Veld, J. “Occurrence and formation of biologically active amines in foods”. Int. J. Food Microbiol. 11: 73-84 (1990). [35] Joosten, H.M.L.J., Gaya, P. y Nuñez, M. “Isolation of tyrosin decarboxylaseless mutants of a bacteriocin-producing Enterococcus faecalis strain and their application in cheese”. J. Food Prot. 58: 1222-1226 (1995). [36] Grunert, K.G., Bech-Larsen, T. y Bredahl, L. “Three issues in consumer quality perception and acceptance of dairy products”. Int. Dairy J. 10: 575-584 (2000). [37] de Vos, W.M. “Advances in genomics for microbial food fermentations and safety”. Curr. Opin. Biotechnol. 12: 493-498 (2001). [38] Klaenhammer, T.R. y Kullen, M.J. “Selection and design of probiotics”. Int. J. Food Microbiol. 50: 45-58 (1999). Tabla 1. Principales propiedades asociadas a los cultivos iniciadores funcionales - Producción de sustancias antimicrobianas (p.e., bacteriocinas, reuterina) - Producción de exopolisacáridos - Producción de amilasa - Producción de -galactosidasa - Fermentación maloláctica - Producción de autolisinas - Resistencia a bacteriófagos - Producción de azúcares hipocalóricos (p.e., sorbitol y manitol) - Producción de vitaminas del grupo B - Producción de oligosacáridos - Liberación de péptidos bioactivos - Eliminación de sustancias tóxicas y antinutrientes Tabla 2. Principales especies con potencial para formar parte de cultivos iniciadores funcionales - Lactobacillus acidophilus - Lactobacillus brevis - Lactobacillus casei - Lactobacillus coryniformis - Lactobacillus curvatus - Lactobacillus delbrueckii subsp. lactis - Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus - Lactobacillus fermentum - Lactobacillus gasseri - Lactobacillus helveticus - Lactobacillus johnsonii - Lactobacillus plantarum - Lactobacillus reuteri - Lactobacillus rhamnosus - Lactobacillus sakei - Leuconostoc mesenteroides subsp. cremoris - Lactococcus lactis subsp. lactis - Lactococcus lactis subsp. cremoris - Pediococcus acidilactici - Pediococcus cerevisiae - Streptococcus thermophilus - Weissella cibaria |
