1TEMA-13

PROCESOS DE FERMENTACIN

TECNOLOGA DE LOS ALIMENTOSProfesora: Milagros Mateos Otero

PROCESOS PARA LA CONSERVACIN Y TRANSFORMACIN DE ALIMENTOS

Introduccin:

La fermentacin es la transformacin que sufre la materia orgnica debida a la accin de enzimas producidas por accin de enzimas producidas por microorganismosmicroorganismos.

Es una accin de descomposicin de los hidratos de carbono, en la que se produce generalmente CO2 (aunque no en todos los casos, como en la fermentacin lctica) y no genera malos olores.

Se diferencia de la putrefaccin en que sta se produce por la accin generalizada de los microorganismos sobre los componentes proteicos de la materia orgnica. Produce malos olores debido a la produccin de c. Sulfdrico.

2La fermentacin del vino se practica desde hace 10.000 aos y lacerveza y el queso desde hace ms de 5.000 aos.

En la actualidad, los procesos fermentativos se utilizan no solo como proceso de conservacin de alimentos, sino como procesos de transformacin y desarrollo de nuevos productos

Un producto se considera fermentado, cuando alguno de sus componentes qumicos, es atacado por microorganismos (considerados tiles), esta modificacin qumica y la intervencin de enzimas crean unas condiciones (ej: produccin de cido o alcohol) desfavorables para otros microorganismos no tiles (alterantes y/o patgenos).

De esta forma la fermentacin es un proceso biolgico de conservacin de alimentos.

Alimentos fermentados:

-Cerveza

-Vino

-Vinagre

-Quesos

-Yogurt

-Pan

-Derivados de soja (Shoyu)

-Pickles (encurtidos): verduras (col, nabo, remolacha roja, pepinos),ej: choucroute.

-Tempeh/tofu: semillas de soja fermentadas (fuente de protena vegetal)

-Miso: semillas de soja, arroz y cebada fermentadas.

-Tamar: soja fermentada, trigo y sal marina.

3MICROORGANISMOS INVOLUCRADOS

Deben:

-Desarrollarse rpidamente y en cantidad, en el sustrato y ambiente establecidos.

-Mantenerse activos fisiolgicamente para producir fcilmente las enzimas esenciales en el proceso.

-Las condiciones de mximo desarrollo y actividad fisiolgica del microorganismo deben de ser sencillas.

Los microorganismos utilizados:

-Levaduras

-Bacterias

-Mohos

MICROORGANISMOS INVOLUCRADOS

LevadurasTemperaturas de crecimiento mximo entre 25 y 30C, sensibles a baja aw (

4MICROORGANISMOS INVOLUCRADOS

Bacterias-Bacterias lcticas

Son Gram+, anaerobias (aunque toleran el O2). Producen ac. Lctico a partir de glcidos.

Las ms utilizadas: Lactobacillus, Streptococcus. Leuconostoc y Pediococcus.

-Bacterias acticas

Son Gram-, aerobias estrictas. Capaces de oxidar el etanol a ac. Actico a pH cido

Las ms utilizadas:Gnero Acetobacter (utilizadas para la produccin de vinagre), siendo las especies principales: aceti, pasteurianum, suboxidans y oxydans

MICROORGANISMOS INVOLUCRADOS

MohosSe utilizan en la fabricacin de mltiples alimentos fermentados, principalmente participan en la fabricacin de quesos y en productos derivados de soja, en los que tambin intervienen levaduras y bacterias.

Entre los ms utilizados:

Penicillium camemberti (quesos enmohecidos superficialmente como Camemebert y Brie)

Penicillium roqueforti (quesos enmohecidos en toda la masa como: Roquefort y Gorgonzola)

Penicillium malgiovese (productos crnicos: moho superficie salchichn)

Aspergillus oryzae y A. flavus (fermentados vegetales, ej de soja)

5PROCESO DE FERMENTACIN

En la respiracin, los hidratos de carbono son convertidos aerbicamente en CO2 y H2O. La fermentacin es un proceso anaerbico o parcialmente anaerbico, de oxidacin de los hidratos de carbono. Ambos procesos liberan energa.

El orden de preferencia de ataque de los microorganismos es:

Hidratos de carbono > protenas > grasas

Y entre los compuestos derivados del carbono:

Azcares > alcoholes > cidos

TIPOS DE FERMENTACIONES

- GLICOLISIS (va de Embden-Meyerhof)

Es la fase inicial del metabolismo de los azcares, en la que se se transforman glucosa y fructosa en cido pirvico.

Estas reacciones se producen tanto en aerobiosis (respiracin) como en anaerobiosis (fermentacin).

Cuando en el medio hay sacarosa, sta debe ser hidrolizada a glucosa y fructosa por medio de la invertasa.

En la degradacin de una molcula de hexosa a cido pirvico, se forman 4 molculas de ATP. Dado que durante el proceso se consumen 2 molculas de ATP, el balance neto del proceso es la produccin de 2 molculas de ATP.

6Glicolisis

(va de Embden-Meyerhof)

En la respiracin aerbica, el cido pirvico ser oxidado por medio de las reacciones del ciclo de Krebs, con la formacin de H2O y CO2.

En anaerobiosis, la falta de oxgeno impide la oxidacin del cido pirvico, pero ste pude servir de aceptor del hidrgeno en forma de NADH2 producido en la glicolisis:

-Si la reduccin se realiza directamente a cido lctico, se produce la fermentacin Homolctica.

-Si previamente se realiza la descarboxilacin a acetaldehdo, seproduce la formacin de alcohol mediante la fermentacin alcohlica.

-Si los dos tomos de hidrgeno se utilizan de otro modo, el ac. Pirvico no puede ser reducido, dando lugar en anaerobiosis a un gran nmero de productos secundarios.

7FERMENTACIN ALCOHLICA

En condiciones de anaerobiosis, las cepas como Saccharomyces cerevisiae y otras especies de levaduras transforman la glucosa en ac. Pirvico, siguiendo la secuencia de reacciones de la glicolisis, pero estas levaduras son capaces de proseguir la degradacin del cido pirvico hasta formar etanol.

En la fermentacin vinaria, sin embargo no se obtiene una fermentacin alcohlica pura, sino que se obtiene una fermentacin gliceropirvica, con formacin de glicerina en la fase inicial.

8FERMENTACIN LCTICA

En la fermentacin lctica mediante bacterias lcticas se transforma la glucosa en cido lctico. Esta transformacin se lleva a cabo por bacterias lcticas.

La fermentacin se puede producir tambin a partir de lactosa, pero en este caso, deber producirse la hidrlisis de la misma.

FERMENTACIN LCTICA

Fermentacin homolctica: Si en la fermentacin nicamente se produce ac. Lctico. Este proceso es el ms interesante para la industria alimentaria (productos lcteos, crnicos y vegetales fermentados).

Fermentacin heterolctica: ac. Lctico, etanol y en ocasiones acetato. De menor aplicacin (bebidas cido-alcohlicas a base de leche como el Kfir), supone en otros casos, aparicin de malos sabores (ej: picado lctico de los vinos)

La formacin de ac. Lctico controlada en la elaboracin de leches fermentadas, queso, mantequilla, etc. Representa una proteccin fundamental contra los procesos de putrefaccin, al proporcionar una acidificacin adecuada del medio.

9FERMENTACIN MALOLCTICA

Es la la transformacin del cido mlico en cido lctico.

HOOC-CH2-COOH CO2 + CH3-CHOH-COOH

(ac. mlico) (ac. lctico)

La reaccin es endotrmica, por lo que no pone a disposicin de las clula ninguna energa, que deber ser tomada por sta de los glcidos del medio. Es por esta razn que no puede considerarse una verdadera fermentacin.

FERMENTACIN ACTICA

Es la oxidacin bioqumica del etanol para la formacin de ac. actico con la participacin de bacterias acticas, que utilizan en su metabolismo, la energa producida en la reaccin.

CH3-CH2OH + O2 CH3-COOH + H2O

La reaccin tiene lugar en aerobiosis y adems pueden producirse otros compuestos que contribuirn a la formacin de aromas y sabores en los alimentos en los que se producen (acetato de etilo, etanal, butanol, isopropanol, etc.)

En la mayor parte de las fermentaciones intervienen mezclas complejas de microorganismos que actan sucesivamente produciendo cambios en el pH, potencial redox o disponibilidad de sustratos. Estos microorganismos pueden ser homofermentativos y heterofermentativos segn que den origen a un solo producto o a varios productos.

10

Ventajas de la fermentacin como sistema de elaboracin de alimentos.

-La utilizacin de pHs y temperaturas que no alteran y con frecuencia mejoran, el valor nutritivo y las caractersticas organolpticas de los alimentos.

-La obtencin de alimentos con aromas y texturas que no pueden ser obtenidos por otros procedimientos.

-Bajo consumo energtico por las especiales condiciones de su proceso de elaboracin.

-Gastos de instalacin y funcionamiento relativamente bajos.

-Tecnologa relativamente sencilla.

Fermentacin alcohlica.

Pan.

Cerveza.

Vino.

Fermentacin lctica.

Productos crnicos y derivados del pescado.

Encurtidos salinos y aceitunas.

Productos lcteos.

Fermentacin actica.

Vinagre.

Cacao y caf.

En la mayor parte de las fermentaciones intervienen mezclas complejas de microorganismos que actan sucesivamente produciendo cambios en el pH, potencial redox o disponibilidad de sustratos.

Estos microorganismos pueden serhomofermentativos o heterofermentativos segn que den origen a un solo producto o a varios productos.

11

Productos elaborados por fermentacin alcohlicaElaboracin de pan

La fermentacin alcohlica en la elaboracin de pan no tiene ningn efecto conservador y su misin principal es producir CO2 para que hinche y acondicione la masa

En el caso de la fermentacin de pan, la glucosa slo estdirectamente disponible en cantidades pequeas en la harina de trigo o en la cebada triturada y macerada.

Por ello, se hace necesario una serie de operaciones previas sobre la materia prima para conseguir que haya la cantidad de azcar suficiente, disponible para las levaduras:

Amilasas

(C6H10O5)X + 2H2O (C6H10O5)Y + 2C6H12O11 Almidn Dextrina Maltosa

El enzima maltasa , que procede de la levadura, desdobla la maltosa en dos molculas de glucosa. Finalmente el enzima zymasa, que se encuentra tambin en las levaduras, convierte la glucosa en etanol y CO2 , la fermentacin alcohlica da origen a una serie de productos secundarios tales como: diacetilo, acetona, aldehdos, glicerina, cidos actico, lctico, sucnico, y sus correspondientes steres, etc.

Grnulos de almidn desmenuzado(10% del total)

MALTOSA

GLUCOSA

CO2 + etanol + aromas

Amilasas

Maltasa (de Saccharomyces cerevisae)

Zymasa (fermentacin

alcohlica)

12

Mezcla de harinas AguaSal

Amasado (10-20 min, 24C)

Fermentacin (4 h, 24C)

Divisin Moldeado

Maduracin intermedia (10 min)Moldeado

Maduracin final (45-50 min, 35-

38C)

Coccin (20-40 min, 235-260C)

Adicin de levaduras

Amasado de homogeneizacin

-La levadura trabaja ms rpidamente y da mayor cantidad de gas, crecido en el horno del pan.

-A partir de 42C, las clulas de la levadura se inactivan, y cuando el centro de la masa ha alcanzado los 54.5C toda la levadura ha muerto.

-Se produce una gelatinizacin parcial de los grnulos de almidn.

-Las y -amilasas siguen dando maltosa y dextrina, esta accin se paraliza cuando se alcanza una temperatura de 76.5 C.

-A 50C, comienzan los procesos de desnaturalizacin de las protenas del gluten y continan hasta los 80C. Se estabiliza la estructura esponjosa del pan.

-El vapor de agua y el alcohol se escapan del interior de la pieza. La superficie pierde gran parte de su humedad, producindose un endurecimiento por desecacin (corteza) y un pardeamiento no enzimtico.

Coccin del pan

13

14

Fabricacin de cerveza

La cerveza es una bebida derivada de la fermentacin del almidn del grano, generalmente cebada. El mosto de cerveza se elabora hirviendo malta, que es la cebada germinada y tostada para poder liberar la maltosa y otros azcares. En algunas cervezas se aaden extractos de lpulo. El lpulo proporciona a la cerveza su particular aroma y amargor (la sustancia que proporciona el sabor amargo es la lupulina), y contribuye a la estabilidad del sabor y retencin de la espuma.

fases de la fabricacin de la cerveza:

1-Germinacin de la cebada: se humedece con agua (2 o 3 das a 10-12C) + (7 a 10 das a 15-22C). Durante la germinacin la cantidad de amilasas aumenta, comienza la hidrlisis del almidn y se inicia la degradacin de materias proteicas del grano y otros compuestos.

2-Secado y tostado de la malta verde (cebada germinada): La malta verse se seca y se detiene la germinacin aumentando as su conservacin. El tostado proporciona a la malta verde color, sabor y aromas caractersticos.

Se disminuye la actividad enzimtica que podra ser excesiva.

Se destruye parte de los microorganismos (resisten los esporulados).

3-Triturado y macerado de la malta: la trituracin debe ser uniforme. La malta triturada se mezcla con agua caliente (poco apoco hasta 65-75C). Finalmente el lquido se separa de las partes slidas por filtracin, que son lavadas con agua a 71-76C para extraer todas las materias solubles, uniendo los lquidos del lavado al mosto inicial.

Durante esta fase las amilasas favorecidas por la temperatura relativamente elevada realizan la transformacin del almidn en dextrina y maltosa.

15

4-Coccin del mosto: Antes de empezar la ebullicin del mosto se adiciona el lpulo. La coccin puede prolongarse entre 2 y 4 horas. Los resultados de la coccin son:

-Concentracin del mosto por evaporacin.

-Esterilizacin.

-Destruccin de toda la actividad enzimtica.

-Precipitacin de las sustancias nitrogenadas.

-Disolucin de sustancias esenciales

5. Refrigeracin: Despus de la coccin el mosto filtrado se refrigera y se airea (la temperatura desciende entre 14 y 16C). La aireacin, favorece el primer desarrollo de la levadura, no deben ser demasiado lentas para evitar contaminaciones microbianas y una oxidacin excesiva.

6. Fermentacin: el mosto se deposita en depsitos de fermentacin donde siembra con levaduras: Saccharomyces cerevisiae, S. carlsbergensis y S. monacensis. La distinta composicin del mosto, las distintas cepas de levaduras y las modificaciones en las condiciones del proceso permiten obtener una gama tan diversa de tipos de cerveza.

Fermentacin baja: el mosto es enfriado a 4-8C, en los das sucesivos la T aumenta pero no debe sobrepasar los 10C y despus se baja la T progresivamente hasta 4-5C. La fermentacin (de 8 a 20 das y ms). es lenta, despus de 15 a 20 horas empiezan a verse las primeras trazas de espuma. (cervezas alemanas, austriacas y muchas espaolas, tipo Munich).

Fermentacin alta: es algo ms rpida. El mosto debe tener al principio una temperatura de 13-15C, la cual va elevndose pero sin dejar pasar los 25C. En esta fermentacin las levaduras no floculan, se mantienen en suspensin, hay que separarlas espumando la superficie varias veces.

16

7-Fermentacin secundaria: (opcional). Se ha de mantener la temperatura baja (2 a 3C), se airea la cerveza lo que provoca que la fermentacin se active de nuevo y la fermentacin prosiga lentamente. Se utiliza para prevenir una autolisis de las levaduras lo que producira un sabor desagradable a la cerveza. La fermentacin secundaria dura de 6 a 10 semanas

8-Operaciones finales: La cerveza antes de ser envasada en botellas o botes se pasteriza a 60-61C, o bien se le hace una filtracin esterilizante por medio de membranas que eliminan los microorganismos existentes

Recepcin de la cebada Almacenamiento en silos

Limpieza y clasificacin Germinacin

Secado y tostado

Triturado y macerado

Coccin del mosto Refrigeracin

Fermentacin (Saccharomyces cerevisae S. carlbergensis, S.

monacensis)

Fermentacin secundaria

Operaciones finales

17

Elaboracin de vino

El vino es la bebida alcohlica resultante de la fermentacin, total o parcial de la uva fresca o de su mosto.

-La uva estrujada y despalillada (incluye la pulpa, los hollejos y las pepitas) se sita en los depsitos de fermentacin (encubado) tras haberle aadido una pequea cantidad de dixido de azufre(sulfitado) a fin de prevenir la contaminacin biolgica (ms importante en los vinos blancos para prevenir oxidaciones del mosto de uva blanca debido a la ausencia de taninos).

-La fermentacin alcohlica se desencadena al mismo tiempo que la maceracin de los hollejos y las pepitas. Se van realizando remontados (accin que consiste en remover los hollejos y pepitas que quedan flotando en el mosto y presionarlos hacia abajo) cuya finalidad principal es la aireacin y maceracin del jugo con las pastas slidas del hollejo extrayendo as el color y los taninos necesarios .

-Una vez conseguida la densidad adecuada para el tipo de vino que se desee obtener, se procede al descube mediante un trasiego en el que por una parte tenemos el vino tinto y por otra parte los orujos, que se prensan obtenindose el vino de prensa.

-El principal cido presente en la mayor parte de los vinos es el cido tartrico, pero como algunos vinos tintos poseen una elevada concentracin de cido mlico, se someten a una fermentacin secundaria malolctica realizada por bacterias lcticas que transforman el cido mlico en cido lctico, reduciendo as su acidez y mejorando su aroma y bouquet.

18

Uva Descarga en tolva

Estrujado-despalillado

Transporte a depsitos

ENCUBADO Remontados

Fermentacin

Descube

Control densidad y temperatura

Orujos Trasiego

Presado Vino prensa

Vino tinto

19

Elaboracin de productos por fermentacin lctica

La secuencia en que las bacterias lcticas intervienen en la fermentacin viene determinada principalmente por su tolerancia al pH.

Por ejemplo en la leche, cuando la concentracin de cido lctico alcanza 0.7-1% se inhibe el crecimiento del Streptococcus liquefaciens y Streptococcus cremoris apareciendo entonces otras especies que soportan mejor el pH, por ejemplo, Lactobacillus casei (1.5-2%) y Lactobacillus bulgaricus (2.5-3%).

De los cuatro principales grupos de bacterias lcticas los Streptococcus y los Pediococcus son homolcticos, los Leuconostoc son heterolcticos, mientras que los Lactobacillus dependen de cada cepa.

En algunos tipos de fermentaciones, en especial en los productos poco cidos (leche y carne), con objeto de conseguir una elevada concentracin de microorganismos en el sustrato, reducir as el tiempo de fermentacin e inhibir el crecimiento de microorganismos patgenos y bacterias causantes de alteraciones, se adiciona a ste una determinada cantidad de cultivo starter.

En otro tipo de fermentaciones, la flora natural del producto es suficiente para provocar un rpido descenso del pH que evite el crecimiento de microorganismos no deseados

20

Productos crnicosLos embutidos fermentados (salami, salchichn...) se elaboran a partir de la mezcla de carnes picadas, especias, sales de curado (nitrito/nitrato sdico) sal y azcar. La mezcla se embute en cubiertas diversas, se fermenta y posteriormente puede ser pasterizado y/o sometido a un proceso de secado.

La conservacin de estos productos se debe a:

-La accin antimicrobiana de la mezcla de nitrito-especias y en menor grado, la sal.

-El cido lctico producido durante la fermentacin.

-El tratamiento trmico (y a los componentes del humo en los productos ahumados).

-La reduccin de la actividad de agua producida por la sal y la deshidratacin.

-El almacenamiento en refrigeracin.

Encurtidos salinos y aceitunas

Los pepinillos y otros vegetales se sumergen en una salmuera del 2.5-6%, para inhibir en ellos el crecimiento de las bacterias causantes de la putrefaccin.

Durante la fermentacin en condiciones anaerbicas se produce el crecimiento sucesivo de distintas especies de bacterias lcticas que provocan un aumento de la concentracin de cido lctico en el medio (1%).

Importancia relativa de cada especie depende de:

-su concentracin inicial en el producto

-sal aadida

-pH

21

Pepinillos

Vegetales en salmuera + cido

actico (inicio fermentacin)

Inoculacin con: L. Plantarum ( + P. cerevisae)

Se inyecta N2 gaseoso para eliminar CO2

Efecto conservador debido a:

-Accin de la sal

-Bajo pH

-Tratamiento trmico (en ocasiones en pepinillos )

Aceitunas verdes

Tratamiento con NaOH diluido

Lavado para eliminar NaOH

Colocacin de frutos en salmuera (inicio de la

fermentacin) L. plantarum

Comercializacin

Elaboracin de productos por fermentacin acticaFabricacin de vinagre

Primera fase en la elaboracin del vinagre: fermentacin alcohlica por las levaduras.

Segunda fase: las bacterias acticas (A. aceti) oxidan el etanol a cido actico y diversos compuestos aromticos. Esta segunda fase es muy sensible a la concentracin de oxgeno disuelto, por lo que es necesario asegurar un suministro de aire adecuado durante la fermentacin.

Adems de oxgeno, las bacterias necesitan determinados nutrientes, tanto para la formacin de cido actico como para la multiplicacin celular

Si se fermenta vino, no es necesario aadir nutrientes adicionales, ya que el vino es rico en ellos. Si se fermenta alcohol, se aade glucosa y diferentes nutrientes (Mg, K, Ca, Mn, Co, Fe, P, Cu, etc.)

La legislacin establece que el vinagre debe tener al menos 4 gramos de cido actico por 100 ml

22

Elaboracin de cacao

Las semillas de cacao y cafestn rodeadas de un material mucilaginoso.

Este material se elimina por fermentacin con objeto de acelerar su secado y mejorar su aspecto y sus caractersticas organolpticas que son las que determinan el valor del producto.

La conservacin se mejora mediante el secado y las caractersticas organolpticas mediante el tueste.

Las habas de cacao se apilan o se colocan en bidones enrejillados.

Primera fase de la fermentacin: intervienen levaduras que transforman los azcares en alcohol. La temperatura aumenta.

La eliminacin durante esta fase de parte de la pulpa permite que el aire penetre en la masa del producto en fermentacin.

Segunda fase: el etanol es oxidado a cido actico por las bacterias lo que provoca un nuevo aumento de la temperatura (puede superar los 50C), esto destruye la poblacin de levaduras.

Seguidamente el producto se seca y se tuesta, favoreciendo el desarrollo del aroma y bouquet caractersticos del chocolate .

23

Fermentacin: escalado industrial