PAPEL DE LOS MICROORGANISMOS EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS Dr. Raquel Virto Resano Logroño 23-Abril-2013

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PAPEL DE LOS MICROORGANISMOS EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS

1. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA POR PARTE DE LOS ORGANISMOS VIVOS.

2. SEGUIMIENTO DE LA POBLACION MICROBIANA DURANTE LA FERMENTACION

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PAPEL DE LOS MICROORGANISMOS EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS

1. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA POR PARTE DE LOS ORGANISMOS VIVOS. 1.1. VIA RESPIRATORIA: 1.2. VÍA FERMENTATIVA: LEVADURAS 1.3. VÍA FERMENTATIVA: BACTERIAS

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PAPEL DE LOS MICROORGANISMOS EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS

1. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA POR PARTE DE LOS ORGANISMOS VIVOS.

GLUCÓLISIS

1 GLUCOSA

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2 PIRUVATO

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1. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA POR PARTE DE LOS ORGANISMOS VIVOS.

1 GLUCOSA

GLUCÓLISIS

2 PIRUVATO

O2

O2 VÍA RESPIRATORIA O2 O2 RUTAS BIOSINTÉTICAS PRODUCCIÓN DE COMPUESTOS/ADITIVOS/ INGREDIENTES

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38 ATPs

VÍA FERMENTATIV 2 ATPs A

ETANOL (levaduras)

ÁCIDOS ORGÁNICOS (bacterias)

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1. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA POR PARTE DE LOS ORGANISMOS VIVOS. 1.1. VIA RESPIRATORIA:

GLUCOSA + O2

piruvato

CO2 + H2O

VINAGRE (bacterias acéticas)

ATP 38 ATP, 2 CO2 y 6 H2O

Siempre que haya oxígeno disponible, la respiración será la ruta preferida de los microorganismos que puedan trabajar en presencia 8/05/13 y/o ausencia de oxígeno.

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1. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA POR PARTE DE LOS ORGANISMOS VIVOS. 1.2. VIA FERMENTATIVA 1. Libera energía a partir de azúcares u otras moléculas orgánicas 2. No necesita oxígeno

GLUCOSA

3. Como producto final hay una molécula orgánica

GLUCÓLISI S VÍA PIRUVATO FERMENTATIVEmbden A O2 Meyerhof Parnas BACTERIAS ACIDO ORGÁNICOS 8/05/13

PIRUVA TO LEVADURAS

ETANOL

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1. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA POR PARTE DE LOS ORGANISMOS VIVOS. 1.2. VIA FERMENTATIVA: LEVADURAS

AZÚCARES

ETANOL + ácidos orgánicos + CO2

- Se produce muy poca energía - Industria VINO - Industria CERVEZA - Industria PAN ATP 2 ATP pero La fermentación produce menos energía que la respiración, permite a los microorganismos desarrollarse en ausencia de oxígeno o permite que proliferen microorganismos que sólo pueden 8/05/13 hacerlo en ausencia de éste.

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1. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA POR PARTE DE LOS ORGANISMOS VIVOS. 1.3. VIA FERMENTATIVA: BACTERIAS

1. La bacteria producen más ácidos orgánicos que las levaduras 2. Principalmente se produce ácido láctico BACTERIAS LÁCTICAS

FERMENTACIÓN LÁCTICA FERMENTACIÓN MALOLÁCTICA

3. La glucosa no es el único azúcar que puede ser utilizado. La capacidad de utilizar otros azúcares varía en función de las especies y las cepas.

- Se produce muy poca energía - Industria LÁCTEA - Industria PAN/BOLLERÍA 8/05/13

- Industria CÁRNICOS

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1. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA POR PARTE DE LOS ORGANISMOS VIVOS.

RESUMEN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE FERMENTACIONES QUE TIENEN COMO VÍA COMÚN LA GLUCÓLISIS

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2. SEGUIMIENTO DE LA POBLACION MICROBIANA DURANTE LA FERMENTACION 2.1. UNA BACTERIA AL CRECER DEBE.. 2.2. CRECIMIENTO DE LA POBLACIÓN CELULAR 2.3. FACTORES GENERALES QUE AFECTAN A LA FERMENTACIÓN

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2. SEGUIMIENTO DE LA POBLACION MICROBIANA DURANTE LA FERMENTACION 2.1. UNA BACTERIA AL CRECER DEBE..

PRODUCIR O SINTETIZAR: - Material celular a partir de sustancias nutritivas REGULAR ESTA SÍNTESIS: - Síntesis ordenada de los componentes estructurales DIVIDIRSE EN DOS CÉLULAS

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2. SEGUIMIENTO DE LA POBLACION MICROBIANA DURANTE LA FERMENTACION 2.2. CRECIMIENTO DE LA POBLACIÓN CELULAR

Es el incremento en el número de células en una población, también se puede cuantificar como un incremento en la masa bacteriana El ritmo de crecimiento depende de la especie, del medio de cultivo, de las condiciones del medio Velocidad de Crecimiento Cambio en el número de células o biomasa por unidad de tiempo Tiempo de Generación Tiempo requerido para que a partir de una célula se formen dos células (tiempo de duplicación)

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2. SEGUIMIENTO DE LA POBLACION MICROBIANA DURANTE LA FERMENTACION 2.2. CRECIMIENTO DE LA POBLACIÓN CELULAR

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2. SEGUIMIENTO DE LA POBLACION MICROBIANA DURANTE LA FERMENTACION 2.2. CRECIMIENTO DE LA POBLACIÓN CELULAR

FASE DE REPOSO = FASE DE LATENCIA Después de la inoculación, la población permanece sin variaciones. Las células crecen en volumen y se sintetizan enzimas, proteínas, RNA; Por último tiene lugar un incremento de la actividad metabólica.

FASE EXPONENCIAL = FASE DE CRECIMIENTO LOGARÍTMICO Las bacterias se dividen por Fisión binaria Crecen en número de forma exponencial Las bacterias se dividen a ritmo constante La velocidad de crecimiento se llama = tiempo de generación

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2. SEGUIMIENTO DE LA POBLACION MICROBIANA DURANTE LA FERMENTACION 2.2. CRECIMIENTO DE LA POBLACIÓN CELULAR

FASE ESTACIONARIA El crecimiento exponencial se detiene El crecimiento de la población está limitado por: - la falta de nutrientes - La acumulación de metabolitos inhibitorios - La falta de espacio En esta fase se pueden sintetizar algunos metabolitos de interés: antimicrobianos, pigmentos, saborizantes y/o aromas.

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2. SEGUIMIENTO DE LA POBLACION MICROBIANA DURANTE LA FERMENTACION 2.3. FACTORES QUE AFECTAN AL CRECIMIENTO (FERMENTACIÓN)

-

La distribución y funcionamiento de las poblaciones microbianas están fuertemente

influidas por factores ambientales. -

La limitación de nutrientes y la tolerancia ambiental regulan o excluyen la existencia de

microorganismos en diferentes ambientes -

Los microorganismos poseen limites inferiores y superiores de tolerancia, así como

óptimos para los diferentes factores abióticos

Las actividades de los microorganismos se ven afectadas por las condiciones físicas y químicas del medio

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2. SEGUIMIENTO DE LA POBLACION MICROBIANA DURANTE LA FERMENTACION 2.3. FACTORES QUE AFECTAN AL CRECIMIENTO (FERMENTACIÓN)

LEY DEL MÍNIMO DE LIEBIG La producción de biomasa total de cualquier organismo está determinado por el nutriente cuya concentración sea mínima, en relación con lo que requiere el organismo Nutriente Un incremento Energía Biosíntesis

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microorganismo

en la concentración de determinado nutriente limitante permite el crecimiento o reproducción de la población afectada hasta que queda limitada por la escasez de otro factor

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2. SEGUIMIENTO DE LA POBLACION MICROBIANA DURANTE LA FERMENTACION 2.3. FACTORES QUE AFECTAN AL CRECIMIENTO (FERMENTACIÓN)

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2. SEGUIMIENTO DE LA POBLACION MICROBIANA DURANTE LA FERMENTACION 2.3. FACTORES QUE AFECTAN AL CRECIMIENTO (FERMENTACIÓN)

pH y Crecimiento microbiano En general los microorganismos no pueden tolerar valores extremos de pH, en condiciones alcalinas o ácidas se hidrolizan algunos componentes microbianos o se desnaturalizan algunas enzimas. •

Cada organismo tiene un rango de pH dentro del cual es posible el crecimiento y posee un pH óptimo.

•

•

La mayoría crece en un margen de variación de 2 a 3 unidades de pH. El pH del medio afecta directamente a los microorganismos y a las enzimas, afectando a la disociación y la solubilidad de muchas moléculas que ejercen algún efecto sobre los microorganismos.

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2. SEGUIMIENTO DE LA POBLACION MICROBIANA DURANTE LA FERMENTACION 2.3. FACTORES QUE AFECTAN AL CRECIMIENTO (FERMENTACIÓN)

Actividad de Agua y Presión Osmótica 1.

Para los microorganismos el factor crítico es la disponibilidad de agua líquida más que la cantidad total de agua presente en el ambiente

2.

El total de agua realmente disponible para uso microbiano se expresa como actividad de agua (aw)

3.

Los solutos presentes en el medio compiten por el agua y la “fijan”, disminuyendo la cantidad disponible para los microorganismos

4.

El agua difunde desde una región con alta concentración de agua (baja concentración de solutos) hasta una región de menor concentración de agua (alta concentración de solutos): OSMOSIS

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2. SEGUIMIENTO DE LA POBLACION MICROBIANA DURANTE LA FERMENTACION 2.3. FACTORES QUE AFECTAN AL CRECIMIENTO (FERMENTACIÓN)

Oxígeno y crecimiento bacteriano

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RUTAS BIOSINTÉTICAS: Microbiología Industrial (fermentativa/respiratoria)

La microbiología industrial es la microbiología que estudia la aplicación de la biotecnología de los microorganismos en la industria. Esto implica la utilización de sistemas biológicos en diferentes procesos industriales. En general puede abarcar diferentes ámbitos: 1. Fabricación de diferentes compuestos orgánicos. 2. Transformación de productos 3. Reacciones con compuestos inorgánicos, como puede ser el caso de la lixiviación de metales. 4. Producción de biomasa, 5. Degradación de sustancias, como puede ser la depuración de aguas, el tratamiento de residuos,... 6. Biosensores, determinación de la presencia de sustancias, mediante sistemas biológicos.

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1. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA POR PARTE DE LOS ORGANISMOS VIVOS. RUTAS BIOSINTÉTICAS: Microbiología Industrial (fermentativa/respiratoria)

Producción de metabolitos primarios y productos relacionados Producto de la Microorganismo implicado en Producto fermentación el proceso Vinos Etanol Cervezas Sacharomyces Etanol Industrial Leches fermentadas Quesos Ácido Láctico Bacterias lácticas Embutidos Vegetales fermentados Ácido Acético Vinagre Acetobacter Ácido cítrico   Aspergillus Ácido propiónico Quesos Emmental Propionibacterium Alimentos orientales Salsa de soja, miso, kimchi, Floriduras y bacterias lácticas fermentados sutu, tempeh L-Glutámico Aminoácidos Corynebacterium L- Lisina

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1. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA POR PARTE DE LOS ORGANISMOS VIVOS. RUTAS BIOSINTÉTICAS: Microbiología Industrial (fermentativa/respiratoria) Producción de Biomasa microbiana Microorganismo implicado Producto de la fermentación Producto en el proceso Levadura de panificación Saccharomyces Proteína unicelular bacteriana Methylophilus Proteína unicelular de Candida levaduras Microorganismos Unicelulares Chlorella Microalgas Scendesmus Spirulina Esporas bacterianas Bioinsecticidas Bacillus Proteína unicelular fúngica Paecilomyces Biomasa fúngica Cultivo de setas Morchella

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LAS BACTERIAS LÁCTICAS Y SU PAPEL EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS INDUSTRIALES 8/05/13

LAS BACTERIAS LÁCTICAS Y SU PAPEL EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS INDUSTRIALES

1. BACTERIAS LÁCTICAS ¿Quiénes son? 2. BACTERIAS LÁCTICAS: Rutas Metabólicas 3. BACTERIAS LÁCTICAS: Metabolitos producidos 4. BACTERIAS LÁCTICAS. Funciones en la Industria cárnicos

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LAS BACTERIAS LÁCTICAS Y SU PAPEL EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS INDUSTRIALES

1. BACTERIAS LÁCTICAS ¿Quiénes son? •

Es un grupo muy heterogéneo de bacterias Gram + no esporuladas que tienen en común la capacidad

de producir acido láctico por fermentación de azúcares. •

Son microoganismos que una limitada capacidad biosintética, por lo tanto requieren factores de

crecimiento complejos como vitaminas del grupo B, purinas, pirimidinas y aminoácidos.

•

Producen energía únicamente por fermentación.

•

Crecen en presencia o ausencia de O2.

•

Y además…. - Comúnmente no son móviles - Forman colonias pequeñas nunca pigmentadas. - Poseen gran tolerancia a la acidez. - Viven en ambientes asociados a plantas, tracto intestinal (principalmente), fosas nasofaringeas y vagina. - Dentro del grupo existen patógenos.

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LAS BACTERIAS LÁCTICAS Y SU PAPEL EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS INDUSTRIALES

2. BACTERIAS LÁCTICAS: Rutas Metabólicas

Ruta HOMOFERMENTATIVA •

SÓLO SE PRODUCE ÁCIDO LÁCTICO

Ruta HETEROFERMENTATIVA •

SE PRODUCE ÁCIDO LÁCTICO + CO2 + ETANOL + ÁCIDO ACÉTICO

Ruta HETEROFERMENTATIVA FACULTATIVA •

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ALTERNAN UNA U OTRA EN FUNCIÓN DE LOS AZÚCARES DISPONIBLES

LAS BACTERIAS LÁCTICAS Y SU PAPEL EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS INDUSTRIALES

3. BACTERIAS LÁCTICAS: Metabolitos producidos Ácido láctico: GRAS. Acidulante, saborizante e inhibidor microorganismos Sustancias antimicrobianas: inhibición de organismos alterantes y patógenos. - Péróxido de hidrógeno - Bacteriocinas Producción de polímeros: - algunos se secretan al medio exterior formando capas mucosas (EPS) - otros son cápsulares PRODUCTOS LÁCTEOS FERMENTADOS:

- Mejoran la sinéresis - Aumentan la viscosidad: bioespesantes naturales - Favorecen las propiedades probióticas Concentraciones producidas: 50 – 1350 mg/L 8/05/13

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3. BACTERIAS LÁCTICAS: Metabolitos producidos

Ácido propiónico: bacterias heterofermentativas utilizadas en quesería. Acetoína y diacetilo: resultantes de la fermentación del ácido cítrico (mantequillas y quesos) - efecto antimicrobiano: - El acetaldehido puede inhibir la división celular de Escherichia coli - El diacetilo inhibe levaduras, bacterias gram-negativas y gram-positivas

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3. BACTERIAS LÁCTICAS: Metabolitos producidos CONTRIBUCIÓN DE LAS BACTERIAS LÁCTICAS EN AROMAS Y SABORES: Ácido Láctico: confiere el sabor ácido Acetaldehido: aroma característico del yogur Diacetilo: sabor a mantequilla Degradacion de péptidos y formación de aromas característicos

PRODUCCIÓN DE ENDULZANTES BAJOS EN CALORÍAS. -

Conversión de lactosa de la leche en alcoholes- polioles como MANITOL Y SORBITOL

(en lugar del piruvato, otros compuestos actúan como intermediarios en la glucólisis y se obtiene manitol y/o sorbitol por reducción de la fructosa-1 fosfato) Lactobacillus casei

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3. BACTERIAS LÁCTICAS: Metabolitos producidos SISTEMAS PROTEOLÍTICOS DE LAS BACTERIAS LÁCTICAS 1.

Sistemas proteolíticos para que se desarrolle el sabor, olor y color de los quesos/cárnicos madurados/curados: a)

Los aminoácidos son precursores de muchos compuestos volátiles

b)

Ciertos aminoácidos y péptidos producen por si mismos un “marcado aroma”.

2. Son necesarios para la multiplicación bacteriana a) Las bacterias lácticas son auxótrofas para muchos aminoácidos b) Los aminoácidos libres presentes en el sustrato de fermentación (leche) no son suficientes para favorecer el crecimiento hasta recuentos elevados. 3. Enzimas localizadas en el exterior de la membrana citoplasmática

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LAS BACTERIAS LÁCTICAS Y SU PAPEL EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS INDUSTRIALES

5. BACTERIAS LÁCTICAS: USOS EN INDUSTRIA

1.

Formación de sabor ácido

2.

Inhibición de organismos patógenos

3.

Gelificación por ruptura de las proteínas

4.

Reducción del contenido de azúcares (glucosa, lactosa..)

5.

Formación de aroma (acetaldehido y diacetilo)

6.

Producción de gas (dióxido de carbono) en quesos y pan

7.

Actividad lipolítica y proteolítica: formación de compuestos de sabor y aroma típicos (cárnicos): a)

Ácidos grasos libres

b)

Transformaciones enzimáticas de algunos aminoácidos: amoniaco, ácidos orgánicos (acético, propiónico, isobutírico) y dióxido de carbono.

8. Probióticos

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5. BACTERIAS LÁCTICAS: USOS EN INDUSTRIA (CÁRNICOS) USOS: FINES TECNOLÓGICOS (más que biológicos) - Cambios deseables en los embutidos (maduración (21 – 30 días) a) b) c)

Descenso pH de la carne (producción de ácidos) Desecación y concentración de la sal Producción de sustancias antimicrobianas

- Especies más empleadas: Género Lactobacillus y Pediococcus a) b) c) d) e)

a) b) c)

Lactobacillus sakei Lactobacillus curvatus Lactobacillus pentosus Lactobacillus plantarum Otros: L. brevis, L. buchneri, L. paracasei P. cerevisiae P. pentosaceus P. acidilacti

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5. BACTERIAS LÁCTICAS: USOS EN INDUSTRIA (CÁRNICOS) USOS: FINES TECNOLÓGICOS (más que biológicos) 1- Organismos viables (vivos) 2- Soporte: azúcar fermentable 3 - Contener microorganismos viables en el momento de consumo (106-107 UFC/g) 4- Producir una fermentación láctica HOMOFERMENTATIVA rápida con desaminación de la arginina. 5- Los Pediococcos (vs. Lactobacillos) poseen: - una menor tasa de acidificación (más lenta) - menor descenso del pH - aromatización menos intensa 6- Intervienen en la glucólisis y liberan ácidos y aldehidos y cetonas. 8/05/13

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5. BACTERIAS LÁCTICAS: USOS EN INDUSTRIA (CÁRNICOS)

Tres niveles de acción de las bacterias lácticas en los productos cárnicos: 1. Actividad antimicrobiana (descenso pH, ácidos, bacteriocinas) - Pseudomonas, Enterobacteriaceae - en menor medida, estreptococcos fecale sy estafilococos 2. Acción sobre el pH (glucólisis – bajada pH). - Se acelera la acidificación del producto 3. Acción sobre el Aroma - se originan productos volátiles aromáticos procedentes de la degradación de azúcares (mas que de proteínas y lípidos) - monoácidos orgánicos (alcanoicos/alquenoicos) - poliacidos orgánicos: ácido-alcohol. Ácido-cetona, aminoácidos

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LAS BACTERIAS LÁCTICAS Y SU PAPEL EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS INDUSTRIALES

5. BACTERIAS LÁCTICAS: USOS EN INDUSTRIA (CÁRNICOS)

1. Cultivos protectores 2. Cultivos iniciadores

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LAS BACTERIAS LÁCTICAS Y SU PAPEL EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS INDUSTRIALES

5. BACTERIAS LÁCTICAS: USOS EN INDUSTRIA (CÁRNICOS) 1. CULTIVOS PROTECTORES Son microorganismos cuya principal función es la supresión de cultivos indeseables y que, modifican escasamente las propiedades sensoriales del producto. -

embutidos secos madurados con hongos que se acidifican levemente y no son

sometidos a ahumado. -

El pH es elevado en la superficie debido a la degradación del ácido y a la proteólisis por

los hongos = desarrollo de microorganismos patógenos

Cultivo protector Lactococcus lactis

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LAS BACTERIAS LÁCTICAS Y SU PAPEL EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS INDUSTRIALES

5. BACTERIAS LÁCTICAS: USOS EN INDUSTRIA (CÁRNICOS) 2. CULTIVOS INICIADORES Los cultivos iniciadores consisten en una especie única o combinaciones de bacterias lácticas y/o micrococcus CAPACIDAD DE ACIDIFICACIÓN TOLERANCIA A LA SAL PRODUCCIÓN DE COLOR ACTIVIDAD PROTEOLÍTICA ACTIVIDAD LIPOLÍTICA Cepas acidificantes

Cepas sabor olor

Pediococcus cerevisiae

Micrococcus varians

Lactobacillus plantarum

Staphylococcus carnosus

Los cultivos iniciadores para productos cárnicos pueden ser bacterias, hongos o levaduras de acuerdo a las caracteristicas y necesidades del producto final deseado.

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Carretera NA – 134 Km 53. 31570 San Adrián Navarra T. +34 948 670 159 – F. +34 948 696 127

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