Cultivos Estárter: Seguridad, funcionalidad y propiedades tecnológicas

Cultivos Estárter: Seguridad, funcionalidad y propiedades
tecnológicas.
Enrique Alfonso Cabeza Herrera1
PhD en Ciencia y Tecnología de los Alimentos, Universidad de León, España.
Microbiólogo, Especialista en Protección de Alimentos, Universidad de Pamplona, Colombia
Email: [email protected]; [email protected]
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
1
Ácidos Grasos libres
Cetonas
Correspondencia: Departamento de Microbiología, Facultad de Ciencias Básicas, Universidad de Pamplona, Ciudadela
Universitaria, Km. 1, vía Bucaramanga. Pamplona. Norte de Santander. Colombia.
Materia
prima
Cultivo
estárter
Conservació
n
Proteínas
Bacterias
Carbohidrato
s
Lípidos
Nuevo
producto
Mohos
Levaduras
Textura
Flavor
Aroma
Enzimas
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.
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.
thermophilus,
diacetylactis,
Str.
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)
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 1532ºC. 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
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 CO2. 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 (CO2). 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
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 CO2, 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.
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).
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
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concentration and starter culture on instrumental and sensory textural properties of chorizoSpanish dry-cured sausage. Meat Science, 74: 467-475.
Guern, J.L. (1995). Capítulo 7: Los vegetales fermentados. En ICMSF, Microbiología Alimentaria
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Moreau, C. (1995). Capítulo 3: los mohos. Parte I: los microorganismos de las fermentaciones. En
ICMSF, Microbiología Alimentaria Vol. 2., Las fermentaciones alimentarias. (pp. 35-54).
Editorial Acribia S.A. Zaragoza. España.