Guia docente de la asignatura Biotecnología de alimentos

________________________________________ Biotecnología de Alimentos
Biotecnología de
alimentos
PROGRAMA DE LA ASIGNATURA
CURSO 2009 / 2010
Licenciatura en Biotecnología
Asignatura Optativa Cuatrimestral
6 créditos (4T+2P)
DEPARTAMENTO: BIOLOGÍA MOLECULAR E INGENIERÍA BIOQUÍMICA
ÁREA ACADÉMICA: GENÉTICA
PROFESOR RESP: DR. José Ignacio Ibeas Corcelles
PROFESOR TEORIA: Dr. José Ignacio Ibeas Corcelles
Dr. Marcos Alguacil Algarrada
PROFESORES PRACTICAS: Dr. José Ignacio Ibeas Corcelles
Dr. Ramón Ramos Barrales
Dr. Marcos Alguacil Algarrada
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Programa Docente
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Biotecnología de Alimentos
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Descripción de la asignatura
Objetivos generales
Planteamiento y Contenidos
Programa de Clases Teóricas
Bibliografía de la asignatura
Guiones de Prácticas
Descripción de la asignatura
La asignatura de Biotecnología de Alimentos se plantea como una asignatura
complementaria al plan de estudios de Biotecnología, que brinda la oportunidad de acercar al
alumno al sector industrial de la producción de alimentos mediante el empleo de
microorganismos. Se trata fundamentalmente de conocer los procesos de producción de los
principales alimentos fermentados, así como los organismos que los llevan a cabo y las
mejoras a nivel génico realizadas en los mismos.
Titulación a la que pertenece:
Biotecnología
Carácter
Optativa(cuatrimestral)
Créditos
6 (4 Teóricos y 2 Prácticos)
El curso consta de cuatro créditos teóricos para los que se plantean cinco temas
distribuidos en 14 semanas con 15 sesiones de teoría en clases de hora y media, 12 horas
para discusión de artículos científicos de interés y las seis horas restantes se destinan a
seminarios especiales, catas, visualización de videos de interés relacionados con los
procesos de producción de alimentos, etc. Al tratarse de una asignatura optativa, este
esquema se puede ver alterado en función del número de alumnos matriculados.
Los créditos prácticos estarán destinados a desarrollar los procesos de producción de
aceitunas, yogurt, queso, pan, cerveza y vino, empleando en algunos casos microorganismos
con propiedades diferenciadas, y aplicando variaciones a los procesos en cuanto a materias
primas, tiempos de fermentación, temperaturas de fermentación, etc. Una vez producidos los
productos se llevarán a cabo análisis de los mismos que permitan reconocer las variaciones
aplicadas. Las prácticas se desarrollarán en un laboratorio diseñado para tal fin y se
completarán con actividades realizadas en casa por los alumnos
Como complemento, se plantea la visita a dos o tres empresas del sector alimentario.
Debido a que la asignatura tiene un importante componente práctico que requiere que
cada alumno lleve a cabo todas las fases de los procesos a desarrollar, los grupos de
prácticas estarán formados por unos 15 alumnos.
El empleo de conceptos y técnicas genéticas y microbiológicas a lo largo de las clases
teóricas y prácticas sugiere que los alumnos matriculados procedan de la Licenciatura de
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Biotecnología, y en particular a los cursos 3º, 4º ó 5º, ya que es interesante que hayan
cursado las asignaturas de Genética, Genética Molecular, y Microbiología.
Objetivos
El objetivo de la asignatura “Biotecnología de Alimentos” es proporcionar a los
alumnos de la Licenciatura de Biotecnología conocimientos teóricos y prácticos acerca del
papel que los microorganismos tienen en los alimentos, mediante su participación en los
procesos de producción de alimentos fermentados por parte de bacterias lácticas y levaduras,
y entender los procesos productivos. Para ello se estudia y se llevan a cabo de forma práctica
la producción de vegetales fermentados, leches fermentadas, quesos, pan, cerveza y vino,
haciendo especial hincapié en el papel que los microorganismos tienen en dichos procesos.
Además se analizan, durante el estudio de cada uno de estos procesos, los mecanismos
utilizados en la mejora de las cepas fermentadoras empleadas y sus ventajas frente a las
originales.
Planteamiento y Contenidos de la Asignatura
El siguiente programa es fruto de la investigación sobre el tema y que tras seis años de
docencia de la asignatura, ha sufrido modificaciones continuas, basadas en las experiencias
propias del profesor y los comentarios aportados por los alumnos.
El método empleado para esta asignatura incluye clases teóricas y prácticas que se
acompañan de seminarios por parte de los alumnos, comentarios de artículos seleccionados
por el profesor, visualización de videos relacionados con la producción y visitas a empresas
de producción de lácteos, vegetales, vinos y cervezas.
Programa abreviado de clases teóricas
Introducción
Tema 1. Producción de cervezas.
Tema 2. Vinificación.
Tema 3. Fermentación de vegetales.
Tema 4. Leches fermentadas y quesos.
Tema 5. Panificación.
Cada tema se inicia mostrando al alumno los orígenes “azarosos” de la producción de
alimentos por microorganismos y con ellos de la Biotecnología de alimentos. Se analiza su
evolución a lo largo de la historia y la mejora de los procesos de producción. Se estudiaran las
materias primas, los procesos productivos, las características básicas de los organismos
productores de alimentos, los genes de interés en estos microorganismos y las mejoras que de
estos genes se han realizado o se están realizando.
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Programa Docente
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Clases prácticas
El curso consta de dos créditos prácticos para los que se plantea la realización de dos
prácticas en sesiones de duración variable. Estas prácticas son obligatorias y tienen como
objetivo que el alumno lleve a cabo la producción de alimentos fermentados en todas sus
etapas y sea capaz de identificar la importancia que las materias primas, las condiciones de
producción y el microorganismo tiene en dichos procesos. Las clases prácticas están basadas
en los conceptos impartidos en las clases teóricas y son a su vez la base de la visita a las
empresas productoras, por lo que su coordinación con estas otras actividades es
imprescindible.
Los 15 alumnos de cada grupo de prácticas se subdividen en grupos de 2 a 5
dependiendo del proceso. Cada uno de estos grupos dispondrá de todo el material para
desarrollar el proceso de producción, lo que permite introducir variables dentro y entre los
grupos que fundamentalmente consisten en la utilización de cepas diferentes de
microorganismos para comparar su actividad, empleo de diferentes materias primas y
alteración de las condiciones de fermentación. Las prácticas concluyen con una cata del
producto final que permite evaluar el desarrollo de éste, así como el efecto que las distintas
variables aplicadas han generado.
Para garantizar la seguridad de los alimentos a consumir, las prácticas de la asignatura
se impartirán en un laboratorio independiente diseñado a tal fin, donde el material empleado
está libre de contacto con material empleado para cualquier otra actividad práctica.
La clase práctica se inicia con un repaso del proceso de producción a nivel de
laboratorio y la presentación e instrucción del equipo a emplear. Cada alumno dispone de un
protocolo en el que se detallan los pasos a seguir, las variables a aplicar y los parámetros a
medir a lo largo del proceso. Al finalizar la práctica cada grupo proporciona sus resultados al
resto de los grupos para su comparación, y así poder correlacionarlos con las variables
aplicadas por cada uno de ellos. Los resultados de cada práctica y las conclusiones que de
éstos se extraen, son elaborados y presentados en un informe escrito individual cuatro
semanas después de finalizada la práctica. La evaluación de los informes de las prácticas
presenciales supondrá un 10% de la nota final.
Adicionalmente, los alumnos realizarán en casa y de forma individual la fabricación de
aquellos productos que no se elaboran en las clases prácticas como aceitunas, pan, yogurt y
quesos. Al finalizar esta actividad el alumno redactará un informe con fotos en el que
explique el proceso desarrollado. La evaluación de los informes de las prácticas en casa
supondrá un 10% de la nota final.
Programa abreviado de clases prácticas
Práctica 1.- Elaboración de vinos
Práctica 2.- Producción de cervezas.
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Tutorías
A lo largo del curso se impartirán tutorías, previa cita, solicitada personalmente, por
email a la dirección [email protected] o por teléfono en el 954 349379.
Seminarios
A lo largo del curso, los alumnos expondrán un seminario sobre un tema establecido por
el profesor, basados en un artículo científico. La evaluación de la exposición supondrá un
20% de la nota y la participación del resto de alumnos en el turno de preguntas un 10%.
En cada tema, se tratará de que un experto relacionado con empresas productoras o
grupos de investigación imparta un seminario en el que exponga su trabajo de investigación.
En este seminario, así como en las visitas se valorará la participación del alumnado en el
turno de preguntas y determinará un 10% de la nota final.
Visitas a empresas
A lo largo del curso y con el objetivo de analizar a nivel industrial los procesos
estudiados en clase y llevados a cabo en el laboratorio, se realizarán dos o tres visitas
obligatorias a fábricas de lácteos, vegetales fermentados, cervezas o vinos. Las visitas serán
guiadas por técnicos de la empresa para garantizar el nivel científico de la exposición y será
discutida posteriormente en clase. La participación en esta discusión así como a lo largo de la
visita será evaluada por el profesor y supondrá un 10% de la nota final
Las visitas realizadas durante el curso serán a tres de las siguientes empresas:
Productos lácteos: Danone / Vega e hijos/ Sierralact/Valeme.
Cervezas: Cruzcampo/Alambra
Vinos: Bodegas Osborne / Bodegas Estevez/ Bodegas La Gitana/Bemsa.
Vegetales: Encurtidos Alcor/Cooperativa Dos Hermanas.
Evaluación
Para la evaluación de la asignatura se tendrán en cuenta los apartados mencionados
anteriormente con la siguiente aportación a la nota final, y en algunos de ellos la nota mínima
requerida para superar la asignatura. A modo de resumen:
Actividad
Exposición de seminarios
Discusión de seminarios
Informes de prácticas
Prácticas en casa
Visitas y conferencias
Examen final
Puntuación
20
10
10
10
10
40
Mínimo
5
20
5
Programa Docente
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Programa de Clases Teóricas
Tema 1. Producción de cervezas
CONTENIDOS
Elaboración de cervezas. Tipos de cervezas. Materias prima. Levaduras cerveceras. .
Metabolismo de levaduras cerveceras. Mejora de cepas: aplicaciones. Tolerancia a etanol y
sustrato. Floculación de levaduras cerveceras. Levaduras inmovilizadas. Cervezas caseras.
OBJETIVOS




Conocer el proceso de producción de cerveza a pequeña escala y escala
industrial.
Conocer las materias primas empleadas en la producción de cervezas.
Conocer las características metabólicas de las levaduras cerveceras.
Conocer las mejoras genéticas realizadas en levaduras cerveceras y sus ventajas.
Tema 2. Vinificación
CONTENIDOS
El proceso de vinificación. Variedades de uvas. Levaduras vínicas. Características
deseables en las levaduras vínicas. La fermentación. La maduración y el envejecimiento de
los vinos. La crianza química y la crianza biológica. Tipos de vinos. Mejora de cepas:
aplicaciones. Genética y mejora de la tolerancia a etanol y SO2. La formación de los velos de
flor y su mejora genética. Producción de aromas
OBJETIVOS





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Conocer el proceso de fermentación de mostos a pequeña escala y a escala
industrial.
Conocer las materias primas empleadas en la producción de vinos.
Conocer las características metabólicas de las levaduras vínicas.
Conocer el proceso de envejecimiento químico y biológico.
Conocer las mejoras genéticas realizadas en levaduras vínicas y sus ventajas.
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Tema 3. Fermentación de vegetales
CONTENIDOS
Tipos de vegetales fermentados. Producción industrial y comercialización de vegetales
fermentados. Elaboración de aceitunas, pepinillos y col. Microbiología de la fermentación.
Importancia de la salmuera y estabilidad microbiana. Antifúngicos naturales. Producción
casera. Mejora genética de bacterias lácticas.
OBJETIVOS





Conocer los tipos de vegetales fermentados.
Conocer el proceso productivo de los principales vegetales.
Conocer las capacidades metabólicas de las bacterias lácticas y otros
microorganismos que participan en estos procesos.
Conocer los sucesos ecológicos en la producción de vegetales fermentados.
Conocer las mejoras genéticas realizadas en bacterias lácticas y sus ventajas.
Tema 4. Leches fermentadas
CONTENIDOS
Historia de las leches fermentadas. Tipos de leches fermentadas: Yogures, leches
líquidas y quesos. Producción industrial, semindustrial y casera. Bacterias lácticas y otros
microorganismos. Mejora genética de bacterias lácticas. Resistencias a fagos. Enzimas
inmovilizadas. Microorganismos de la maduración de los quesos: cepas de Penicillium. Tipos
de quesos. Denominación de origen.
OBJETIVOS





Conocer los tipos de leches fermentadas
Conocer los procesos de producción.
Conocer las capacidades metabólicas de las bacterias lácticas.
Conocer los tipos de quesos.
Conocer las mejoras genéticas realizadas en bacterias lácticas y sus ventajas.
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Programa Docente
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Tema 5. Panificación
CONTENIDOS
Producción industrial y semindustrial de pan. Materia prima. Características de
levaduras panaderas. Fermentación de la masa panadera. Cultivos iniciadores. Mejora de
cepas: aplicaciones. Resistencia a estrés osmótico. Resistencia a la desecación y a la
congelación.
OBJETIVOS
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



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Conocer el proceso de producción de pan a escala industrial.
Conocer las materias primas empleadas en la producción de pan.
Conocer las características metabólicas de las levaduras panaderas.
Conocer los distintos sistemas de inoculación de masas panaderas.
Conocer las mejoras genéticas realizadas en levaduras panaderas y sus ventajas.
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Bibliografía de la Asignatura
Al tratarse de una asignatura muy especializada no existen textos que la cubran en su
totalidad, sino más bien textos específicos y artículos científicos para cada uno de los temas
tratados. Aun así, el empleo en todos los temas de conocimientos y técnicas microbiológicas y
genéticas, hace necesario, a lo largo de todo el curso, el empleo de libros generales que cubran
dichas temáticas.
Los libros y artículos científicos empleados para la preparación de la asignatura, y que
pueden ser consultados en biblioteca o en el propio laboratorio, son:
Manuales
Fermentation Microbiology and Biotechnology
CRC Press Science ISBN 0849353343
E.
M.
T.
El-Mansi
2006
Biotechonolgy: Food Fermentation. Microbiology, Biochemistry and Technology. Volumen I
y II. V.K. Joshi and Ashok Pandey. ISBN 81-87198-05-2
Microbiology and Technology of Fermented Food. Robert W. Hutkins. 2006 IFT Press.
Blakwell Publishing ISBN 081300188
Textos específicos de la asignatura:
Benítez, T, Martínez, P, Codon, AC. “Genetic constitution of industrial yeast”. Microbiologia.
12:371-384. 1996.
Berry, C.J.J.“First steps in Winemaking”. Nexus Special Interests Ltd. 1996.
Boekhout T and Robert V, Centraalbureau voor Schimmelcultures, The Netherlands. “Yeasts
in food” ISBN 1 85573 706 X
Dequin, S. “The potential of genetic engineering for improving brewing, wine-making and
baking yeasts”. Appl Microbiol Biotechnol. 56:577-588. 2001.
Doyle, M. P., Beuchat, L. R., and Montville, T.J. “Food Microbiology” American Society for
Microbiology Press, Washington, D.C. 1997.
Garey, T. “The joy of Home Winemaking”. Avon Books, Inc. 1996.
Glover, B. “The world encyclopedia of beer”. Hermes House. 1997.
Iverson, J “Home winemaking step by step”. Stonemark Publishing Company. 2000.
Jay, J.M. “Modern food microbiology”. 5th Edition. Van Nostrand Reinhold, New York.
1996.
Kamel, M. “Advances in baking technology”. Blackie Academic & Profesional London.
1993.
Kroll, R.G., Gilmour, A., y Sussman, M. “New techniques in food and beverage
microbiology”. Blackwell Scientific, Oxford. 1993.
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Programa Docente
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Lightfoot, N.F. y Maier, E.A. “Microbiological analysis of food and water : guidelines for
quality assurance”. Elsevier, Ámsterdam. 1999.
“Métodos analíticos en alimentaria. Leche y productos lácteos”. 1999. Panreac Química.
“Métodos analíticos en alimentaria. Productos derivados de la uva, aguardientes y sidras”.
1996. Panreac Química.
Nout R, de Vos W and Marcel Zwietering “Food Fermentation”
Pérez, C. y Gervás, J.L. “Elaboración artesanal del vino”. Blume. 1998.
Peyanaud, E. “Enología práctica, conocimiento y elaboración del vino”. Ediciones
Mundiprensa. 1999.
Purtí, I. ”El libro del yogur”. Integral. 1997.
Ramón, D. “Los genes que comemos”. Editorial Algar. 1999.
Schmidt, K.F. “Elaboración artesanal de mantequilla, yogur y queso”. Acribia, S.A. 1988.
Siezen, Roland J., Kok, Jan, Abee, Tjakko, Schaafsma, Gertjan. Lactic Acid Bacteria:
Genetics, Metabolism and Applications. 2002. ISBN: 9781402009228
Smart K “Brewing Yeast Fermentation Performance” 2002 ISBN-10: 0632064986
Suárez Lepe, J.A. “Levaduras vínicas. Funcionalidad y uso en bodega”. Ediciones
Mundiprensa. 1997.
Suárez Lepe, J.A. e Iñigo Leal, B. “Microbiología Enológica. Fundamentos de vinificación”.
Ediciones Mundiprensa. 1990.
Tamine, A.Y. y Robinson, R.K. “Yogur, ciencia y tecnología”. Acribia, S.A. 1991.
Walker, G. “Yeast Physiology And Biotechnology” John Wiley and Sons Ltd. 1998.
Artículos científicos
A lo largo del curso, el profesor indicará al alumnado los artículos empleados para la
elaboración de cada tema.
Textos de Genética:
Brown, T.A. “Genomes”. BIOS scientific publishers. 2002.
Gardner, Simmons y Snustad. "Principios de Genética". Limusa Wiley. 1998.
Griffiths y col. “Genética Moderna”. McGraw-Hill. 2000.
Griffiths y col. “Genética”. 7ª edición. McGraw-Hill, 2002.
Jiménez y Jiménez. “Genética Microbiana”. Síntesis. 1998.
Klug y Cummings. “Conceptos de Genética”. Prentice Hall. 2005.
Lacadena. Genética. Síntesis. 1999.
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Lewin “Genes”. Marbán S. L. 2001.
Textos de Microbiología:
Madigan, M. T., Martinko, J.M., Parker. J. “Brock: Biología de los Microorganismos”.
Prentice-Hall. 2000.
Prescott, L., Harley, J., Klein, D. “Microbiología”. McGraw-Hill Interamericana. 1999.
Guiones para las clases prácticas
Práctica 1.- Elaboración de vino.
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Práctica 2.- Producción de cerveza
Objetivos



Conocer con detalle todas las etapas del proceso de producción de diferentes
tipos de cervezas.
Observar la variación del pH, contenido de azúcares y alcohol a lo largo de la
fermentación.
Aprender las bases de la cata de cervezas
Desarrollo experimental de la práctica
Para este proceso de elaboración se empleará el
equipo que se muestra en la figura que consta de
caldera de maceración, intercambiador de calor y
tanque de ebullición. Todos los tanques quedan
conectados mediante tuberías de silicona y se empleará
una bomba para el movimiento de los líquidos. Cada
grupo de cinco alumnos dispondrá de un equipo
completo.
Los primeros pasos, indispensables en la
elaboración de toda cerveza, son el malteado de la
cebada (con el que se busca activar las enzimas propias
del grano y degradar con ellas el almidón generando
azucares fermentables), y el triturado de la malta (para
facilitar el acceso a las reservas de almidón). Sin embargo, la malta que nosotros empleamos
ya ha sufrido ambos procesos.
Vamos a elaborar tres tipos diferentes de cervezas. En este protocolo se aporta la
receta para elaborar 25 litros de una cerveza tipo Porter
Las etapas a desarrollar son las siguientes
Maceración
Pesaremos en primer lugar las siguientes cantidades de malta
-
4kg de Malta Pale
1/2kg de Malta Caramel
1/2kg de Malta Negra
Las cantidades pesadas se van añadiendo dentro de una bolsa que hará las veces de filtro,
se coloca en una olla previamente limpia y posteriormente se adicionan 17,5 litros de agua
previamente calentada a 40 ºC, todo en el recipiente superior. Se realizará una primera
medición de pH y la densidad del agua antes de la adición.
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A continuación iniciaremos la maceración propiamente dicha mediante la realización
de una curva de temperatura con las siguientes etapas
1) Acidificación. Mantendremos el mosto a 32ºC durante 30min: Buscamos que se
produzca cierta acidificación por el efecto de las bacterias lácticas presentes en el
grano de malta. Mantenemos la temperatura lo más homogénea posible mezclando el
grano con el mosto y el mosto recirculando simplemente entre la base y la superficie.
Si es necesario, pasaremos el mosto por el serpentín para incrementar su temperatura.
Previamente tenemos que limpiar el serpentín del intercambiador de calor con agua
hervida y mantener el agua del serpentín hirviendo. Se medirá el pH y la densidad del
mosto.
2) Peptonificación. Calentaremos la mezcla hasta 42º C, pasando el mosto por el
serpentín y homogeneizando la mezcla con el grano. Una vez alcanzada la temperatura
la mantendremos durante 30 minutos. Mediremos el pH y la densidad del mosto
3) Sacarificación. Calentaremos el mosto a 62ºC pasándolo por el serpentín y
homogeneizando la mezcla y mantendremos esta temperatura durante 20 minutos. A
continuación incrementaremos de nuevo la temperatura a 66º C y la mantendremos
durante 30 minutos. Se medirá el pH y la densidad del mosto.
4) Desnaturalización. Calentaremos el mosto a 76ºC y mantendremos dicha temperatura
durante 15 min sin mezclar el grano. Se medirá el pH y la densidad del mosto.
Cocción
A continuación, con el grano en reposo, tomaremos el mosto por la salida de la cuba y
recircularemos el mosto a través del grano, hasta que veamos que el mosto sale limpio,
entonces se trasvasará al recipiente inferior, y se le añadirán otros 7 litros más de agua, a
75ºC. Se medirá el pH y la densidad del mosto.
Posteriormente, herviremos el mosto durante una hora. En esta etapa añadiremos los
lúpulos que seguirán el siguiente orden. X g de lúpulo Cascade al principio de la ebullición y
x g de Styrian Holding 15 minutos antes del final de la ebullición. Ambos lúpulos se añadirán
en un atillo con el fin de no interferir en los posteriores procesos de retirada de turbios. Justo
antes de finalizar la ebullición se le añadirá una pastillita de gelificante. Se medirá el pH y la
densidad del mosto.
Clarificación del mosto
Todo el material a emplear en los pasos siguientes se debe lavar con agua con unas
gotas de lejía y enjuagar con agua hervida.
Esta etapa consiste en la eliminación de los turbios calientes presentes en el mosto.
Para ello, originaremos un remolino (whirlpool) con la ayuda de una cuchara de madera.
Retiraremos el mosto por el lateral de la cuba con la ayuda de la bomba (previamente lavada).
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Programa Docente
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Enfriamiento
Emplearemos ahora un intercambiador de calor de placas (con agua del grifo en
contracorriente) para enfriar el mosto limpio de unos a uno 20ºC. y se repetirá un nuevo
whirlpool para eliminar los turbios fríos.
Fermentación
Finalmente, tras dejarlo reposar, se traspasará el mosto limpio al tanque de
fermentación. Previamente se separará un pequeño volumen para prehidratar la levadura
cerveceras a emplear. En la parte superior de los fermentadores se colocará un borboteador,
con agua y unas gotas de lejía, que permitirá la salida de gases desde el interior sin la
posibilidad de entrada de aire exterior minimizando la posibilidad de contaminación.
Maduración
Una vez finalizada la primera fermentación (en la que se convierten los azucares en
alcohol), a los 9-15 días, realizaremos el trasvase de la cerveza generada (excluyendo los
turbios precipitados) a un nuevo tanque limpio donde tendrá lugar la segunda fermentación o
fase de maduración.
Embotellado
Tras dos semanas de reposo, embotellaremos la cerveza en distintos tipos de envases a
los que añadiremos azúcar moreno según el volumen del recipiente y los cerramos
herméticamente. Almacenaremos los envases a 25ºC durante 5 días y pondremos a enfriar
durante dos semanas antes de llevar a cabo la cata.
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