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Cultivos alimentarios microbianos

Los cultivos alimentarios microbianos son bacterias vivas , levaduras o mohos utilizados en la producción de alimentos. Los cultivos alimentarios microbianos llevan a cabo el proceso de fermentación en los alimentos. Utilizados por los humanos desde el Neolítico (alrededor de 10 000 años a. C.) [1] la fermentación ayuda a conservar los alimentos perecederos y a mejorar sus cualidades nutricionales y organolépticas (en este caso, el gusto , la vista , el olfato y el tacto ). En 1995, los alimentos fermentados representaban entre una cuarta parte y una tercera parte de los alimentos consumidos en Europa Central . [2] Se han identificado y descrito más de 260 especies diferentes de cultivos alimentarios microbianos por su uso beneficioso en productos alimenticios fermentados a nivel mundial, [3] lo que demuestra la importancia de su uso.

La justificación científica de la función de los microbios en la fermentación comenzó a construirse con los descubrimientos de Louis Pasteur en la segunda mitad del siglo XIX. [4] [5] Se siguen realizando estudios científicos exhaustivos para caracterizar taxonómica , fisiológica , bioquímica y genéticamente los cultivos microbianos de alimentos utilizados tradicionalmente en la fermentación de alimentos . Esto permite una mejor comprensión y mejora del procesamiento tradicional de alimentos y abre nuevos campos de aplicación.

Panorama histórico

Los microorganismos son la forma de vida más antigua de la Tierra y evolucionaron por primera vez hace más de tres mil millones de años. [6] [7] [8] Nuestros antepasados ​​descubrieron cómo aprovechar el poder de los microorganismos para crear nuevos alimentos, [9] [10] [11] [12] [13] incluso si no conocían la ciencia detrás de lo que estaban haciendo.

Hitos

1665— Robert Hooke y Antoni Van Leeuwenhoek observan y describen por primera vez los microorganismos. [14]

1857–1876— Louis Pasteur demuestra la función de los microorganismos en la fermentación láctica y alcohólica . [15]

1881— Emil Christian Hansen aísla Saccharomyces carlsbergensis , un cultivo de levadura puro , que hoy en día se utiliza ampliamente en la elaboración de cervezas lager . [16]

1889–1896— Herbert William Conn , Vilhelm Storch y Hermann Weigmann demuestran que las bacterias son responsables de la acidificación de la leche y de la crema. [17]

1897: Eduard von Freudenreich aísla Lactobacillus brevis . [18]

1919—Sigurd Orla-Jensen clasifica las bacterias del ácido láctico basándose en los patrones de respuesta fisiológica de las bacterias. [19]

A partir de los años 70 se inicia la producción de los primeros cultivos concentrados industriales, congelados o liofilizados , para la inoculación directa de la leche procesada , mejorando la regularidad de los procesos de producción.

Función de los cultivos alimentarios microbianos en los alimentos

Los cultivos alimentarios microbianos conservan los alimentos mediante la formación de metabolitos inhibidores como ácido orgánico ( ácido láctico , ácido acético , ácido fórmico , ácido propiónico ), etanol , bacteriocinas , etc., a menudo en combinación con la disminución de la actividad del agua (mediante el secado o el uso de sal). [20] [21] Además, los cultivos alimentarios microbianos ayudan a mejorar la seguridad alimentaria mediante la inhibición de patógenos [22] [23] o la eliminación de compuestos tóxicos. [24] Los cultivos alimentarios microbianos también mejoran el valor nutricional [25] [26] y la calidad organoléptica de los alimentos. [27] [28] [29] [30]

Los cultivos microbianos utilizados en la fermentación de alimentos se pueden dividir en tres grupos principales: bacterias , levaduras y mohos .

Bacteria

Los cultivos alimentarios bacterianos se pueden dividir en cultivos iniciadores y probióticos .

Los cultivos iniciadores tienen principalmente una función tecnológica en la fabricación de alimentos. Se utilizan como ingredientes alimentarios en una o más etapas del proceso de fabricación de alimentos y desarrollan la actividad metabólica deseada durante el proceso de fermentación o maduración. Contribuyen a una o más propiedades únicas de un alimento, especialmente en lo que respecta al sabor, el aroma, el color, la textura, la seguridad, la conservación, el valor nutricional, la salubridad y/o los beneficios para la salud. [31] [32] [33]

Los probióticos tienen un papel funcional, que se refiere a la capacidad de ciertos microbios de conferir beneficios para la salud del consumidor. [34] [35]

En general, las bacterias que se utilizan como cultivo iniciador no son las mismas que se utilizan como probióticos. Sin embargo, existen casos en los que una bacteria puede utilizarse como cultivo iniciador y como probiótico. [36] [37] Actualmente, la comunidad científica está tratando de profundizar en la comprensión de los roles que desempeñan los microbios en el procesamiento de alimentos y la salud humana. [38] [39]

Las bacterias más importantes en la fabricación de alimentos son las especies de Lactobacillus , pertenecientes al grupo de las bacterias del ácido láctico . [40]

Los cultivos bacterianos alimentarios son responsables del aroma, el sabor y la textura de los quesos y los productos lácteos fermentados, como los yogures , el ayran , el doogh , el skyr o el ymer . Contribuyen a desarrollar el sabor y el color de productos fermentados como el salami , el pepperoni y el jamón seco . Las bacterias del ácido láctico convierten el ácido málico inestable [41] que está presente de forma natural en el vino en ácido láctico estable. Esta fermentación maloláctica proporciona la estabilidad característica de los vinos de alta calidad que mejoran con el almacenamiento. [42]

Las bacterias del ácido láctico también se utilizan en complementos alimenticios como probióticos que ayudan a restablecer el equilibrio de la biota intestinal humana . [43]

Levaduras

La levadura más utilizada en la producción de alimentos, Saccharomyces cerevisiae , se ha utilizado en la elaboración de cerveza y la panadería durante miles de años. [ cita requerida ]

La S. cerevisiae se alimenta de los azúcares presentes en la masa del pan y produce dióxido de carbono , un gas que forma burbujas dentro de la masa, lo que hace que esta se expanda y el pan suba.

En la elaboración de cerveza se utilizan varias levaduras diferentes, donde fermentan los azúcares presentes en la cebada malteada para producir alcohol . [44] Una de las más comunes es S. cerevisiae . La misma cepa de S. cerevisiae que también se puede utilizar en la panificación se utiliza para hacer cervezas tipo ale . Se la conoce como levadura de fermentación alta porque crea una espuma en la parte superior de la cerveza. Las levaduras de fermentación baja , como S. pastorianus , se utilizan más comúnmente para hacer lagers . [45] Fermentan más azúcares en la mezcla que las levaduras de fermentación alta , lo que da un sabor más limpio.

El alcohol del vino se forma por la fermentación de los azúcares del jugo de uva, con dióxido de carbono como subproducto . La levadura está presente de forma natural en los hollejos de las uvas, y esto por sí solo puede ser suficiente para que se produzca la fermentación de los azúcares en alcohol. Normalmente se añade un cultivo de levadura pura, normalmente S. cerevisiae , para garantizar que la fermentación sea fiable. [46] Otros cultivos de levadura como Pichia , Torulaspora y Kluyveromyces están presentes de forma natural o se añaden para crear sabores especiales en el vino. El vino espumoso , incluido el champán , se elabora añadiendo más levadura al vino cuando se embotella. El dióxido de carbono formado en esta segunda fermentación queda atrapado en forma de burbujas. [47]

Las levaduras también se utilizan para producir productos de kéfir , [48] quesos semiblandos madurados y bebidas de soja fermentada . [49]

Moldes

Hay tres tipos principales de queso que dependen de los mohos para sus propiedades características: el queso azul , el queso blando madurado (como el camembert y el brie ) y el queso de corteza lavada (como el époisses y el taleggio ).

Para elaborar queso azul, el queso se trata con un moho, normalmente Penicillium roqueforti , mientras todavía está en forma de cuajada ligeramente prensada. A medida que el queso madura, el moho crece, creando vetas azules en su interior que le dan al queso su sabor característico. Algunos ejemplos son el stilton , el roquefort y el gorgonzola . [50]

Los quesos blandos madurados, como el brie y el camembert, se elaboran permitiendo que P. camemberti crezca en el exterior del queso, lo que hace que envejezcan de afuera hacia adentro. El moho forma una corteza blanca suave y el interior se vuelve líquido con un sabor fuerte. [51]

Los quesos con corteza lavada, como el limburger, también maduran hacia dentro, pero en este caso, como sugiere el nombre, se lavan con salmuera y otros ingredientes como cerveza y vino que contienen moho. Esto también los hace atractivos para las bacterias, que le aportan sabor. [52]

Tradicionalmente, las inoculaciones de los embutidos con mohos se hacían con la biota autóctona de los mataderos. Se pueden utilizar diferentes mohos (como P. chrysogenum y P. nalgiovense ) para madurar las superficies de los embutidos. Los cultivos de mohos desarrollan el aroma y mejoran la textura de los embutidos. También contribuyen a acortar el período de maduración y a preservar la calidad natural. Esto amplía la vida útil del producto cárnico. [53] [54] [55]

En el pasado, la salsa de soja se elaboraba mezclando soja y otros cereales con un moho ( Aspergillus oryzae o A. sojae ) y levadura. Luego, esta mezcla se dejaba fermentar al sol. [56] Hoy en día, la salsa de soja se elabora en condiciones controladas. Los ingredientes clave del sabor que se forman en este proceso son las sales del aminoácido ácido glutámico , en particular el glutamato monosódico . [57]

Producción de cultivos alimentarios microbianos

La producción industrial de cultivos microbianos alimentarios se lleva a cabo tras un cuidadoso proceso de selección y en condiciones estrictamente controladas. En primer lugar, el laboratorio de microbiología, donde se conservan las cepas originales, prepara el material de inoculación , que es una pequeña cantidad de microbios de una única cepa (pura). A continuación, el material de inoculación se multiplica y se cultiva en fermentadores (líquido) o en una superficie (sólido) en condiciones definidas y controladas. Las células cultivadas de cultivo puro se cosechan, se mezclan finalmente con otros cultivos y, por último, se formulan (conservan) para su posterior transporte y almacenamiento. Se venden en formato líquido, congelado o liofilizado . [58]

Otra forma tradicional de iniciar la fermentación de un alimento es la denominada fermentación espontánea. Los cultivos proceden de leche cruda , es decir, leche que no ha sido sometida a ningún tratamiento de saneamiento o de la reutilización de una fracción de la producción anterior (back-slopping). [59] La composición de dichos cultivos es compleja y extremadamente variable. [60] El uso de dichas técnicas está disminuyendo de forma constante en los países desarrollados. Algunos países incluso prohíben la técnica de back-slopping debido al "potencial de magnificar las cargas de patógenos a niveles muy peligrosos". [61]

Proteína microbiana

La proteína microbiana (MP) se puede crear con microalgas, bacterias, levaduras y microhongos ( micoproteína ). [62]

Algunos ejemplos de productos MP ya disponibles (comercializados) incluyen:

Puede sustituir la carne y los piensos, mitigando los impactos ambientales de la carne y otros productos de origen animal . [62] También podría sustituir a los suplementos proteicos de origen animal . [65]

Los investigadores están trabajando para mejorar la sostenibilidad y la economía de la producción de proteínas microbianas y para resolver los desafíos que supone ampliar la producción a nivel industrial. [64]

Aspectos ambientales, de seguridad alimentaria y eficiencia

Un estudio concluyó que la producción de alimentos microbianos impulsada por energía solar a partir de la captura directa de aire supera sustancialmente al cultivo agrícola de cultivos básicos en términos de uso de la tierra . El cultivo de dichos alimentos a partir del aire produjo diez veces más proteínas y al menos el doble de calorías que el cultivo de soja con la misma cantidad de tierra. [66] [67] [68]

Un estudio complementa los estudios de evaluación del ciclo de vida y muestra una reducción sustancial de la deforestación (56%) y la mitigación del cambio climático si solo el 20% de la carne de res per cápita se reemplazara por proteína microbiana (ver arriba) para el año 2050. [69]

La proteína unicelular (SCP) puede sustituir a los piensos proteicos convencionales. La escasez de tierras y las calamidades medioambientales, como las sequías o las inundaciones, no son un obstáculo para la producción de SCP. [70] [ cita(s) adicional(es) necesaria(s ) ]

Aspectos de seguridad y reglamentación

Los cultivos alimentarios microbianos se consideran ingredientes alimentarios tradicionales y están permitidos en la producción de alimentos en todo el mundo según las leyes alimentarias generales.

Los cultivos alimentarios microbianos disponibles comercialmente se venden como preparaciones, que son formulaciones que consisten en concentrados de una o más especies y/o cepas microbianas que incluyen componentes de medios inevitables transferidos desde la fermentación y componentes que son necesarios para su supervivencia, almacenamiento, estandarización y para facilitar su aplicación en el proceso de producción de alimentos.

La seguridad de los cultivos alimentarios microbianos, dependiendo de sus características y uso, puede basarse en niveles de género, especie o cepa.

Microorganismos con historial documentado de uso seguro en alimentos

El primer inventario (no exhaustivo) de microorganismos con un historial documentado de uso [71] en alimentos fue compilado por primera vez en 2001 por la Federación Internacional de Lácteos (IDF) y la Asociación Europea de Cultivos para Alimentos y Piensos (EFFCA). [72]

En 2012, este inventario se actualizó y ahora abarca una amplia gama de aplicaciones alimentarias (incluidos productos lácteos, pescado, carne, bebidas y vinagre) e incluye una taxonomía revisada de microorganismos. [3]

Estados Unidos

En los Estados Unidos de América, los cultivos microbianos de alimentos están regulados por la Ley de Alimentos, Medicamentos y Cosméticos . La Sección 409 de la Enmienda de Aditivos Alimentarios de 1958 de la Ley de Alimentos, Medicamentos y Cosméticos, [73] exime de la definición de aditivos alimentarios a las sustancias generalmente reconocidas por los expertos como seguras ( GRAS ) en las condiciones de su uso previsto. Estas sustancias no requieren la aprobación previa a su comercialización por parte de la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos . [74]

Debido a que existen diversas maneras de obtener el estado GRAS para los cultivos alimentarios microbianos, no existe una lista exhaustiva de cultivos alimentarios microbianos que tienen el estado GRAS en los EE. UU. [3] [75]

unión Europea

En la Unión Europea , los cultivos alimentarios microbianos se consideran ingredientes alimentarios y están regulados por el Reglamento 178/2002, [76] comúnmente conocido como Ley General de Alimentos. [77]

Desde 2007, la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (AESA) mantiene una lista de microorganismos que tienen una presunción cualificada de seguridad (QPS). [78] La lista QPS cubre solo un número limitado de microorganismos, que han sido remitidos a la AESA para la evaluación de seguridad. [79] [80] Ha sido concebida como una herramienta de evaluación interna para los microorganismos utilizados en la cadena de producción de alimentos (por ejemplo, cultivos de piensos, fábricas de células que producen enzimas o aditivos, protección de plantas) que necesitan una evaluación por parte de paneles científicos de la AESA antes de comercializarse en la UE. Sin embargo, los cultivos alimentarios microbianos con un largo historial de uso seguro se consideran ingredientes alimentarios tradicionales y su uso está legalmente permitido en alimentos humanos sin la evaluación de la AESA.

Dinamarca

Desde 1974 hasta 2010, Dinamarca exigió la aprobación previa a la comercialización de los cultivos microbianos de alimentos. La lista positiva de cultivos microbianos de alimentos está disponible en el sitio web de la Administración Veterinaria y Alimentaria de Dinamarca. [81]

En 2010, la normativa cambió. Ya no se necesita autorización, pero se debe notificar a la Administración Veterinaria y Alimentaria. [82]

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