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Ingredientes antimicrobianos
Javier García Pina Chemital s.a.
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Introducción En los alimentos se entiende por conservación el conjunto de las acciones realizadas para mantenerlos con una naturaleza y/o propiedades deseadas el tiempo máximo posible.
La conservación es la finalidad más importante del proceso de los alimentos, y constituye la parte central y fundamental de la ciencia y tecnología alimentaria.
La calidad de un alimento puede ser afectada de manera diversa por procesos físicos, químicos, bioquímicos y microbiológicos. En esta presentación nos centraremos en posibles alteraciones causadas por microorganismos y en las sustancias que pueden reducirlas y/o prevenirlas.
Los animales y plantas sanas tienen los tejidos estériles. Sólo hay microbiota en las superficies o tracto intestinal.
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Antecedentes históricos La necesidad de conservar alimentos viene como consecuencia del cambio de hábitos del hombre al pasar de nómada a agricultor.
Muchos procedimientos de conservación fueron desarrollados antes de que se conocieran los microorganismos.
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Desarrollo histórico de la conservación “Química”
Tiempos prehistóricos:
Sal común, humo.
Antiguo Egipto:
Vinagre, sal y miel.
Antigua Roma:
Dióxido de azufre para estabilizar el vino.
Alrededor de 1400:
Aparecen los encurtidos.
1775:
Hofer recomienda el Bórax.
1850-1980:
Se descubren la acción antimicrobiana del ácido bórico, ácido sórbico, ácido fórmico, ácido salicílico, ácido benzóico, parabens, ácido propiónico, nisina, natamicina,...
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Desarrollo histórico de la Microbiología Alimentaria
Olvidándonos de los esfuerzos que tradicionalmente se han hecho para conservar los alimentos, no es hasta el siglo XIX cuando se estudia, la alteración microbiana, de los alimentos, de manera rigurosa.
Con anterioridad a esta época, la mayor parte de trabajos e investigación se orientan hacia el área médica, prestándose poca atención a los alimentos.
Es con Luis Pasteur, en 1857, cuando se establece la era moderna de la microbiología de los alimentos, al demostrar que son microorganismos los causantes de la alteración de la leche.
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Clasificación de Whittaker: Relación filogenética entre procariotas y eucariotas
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Los microorganismos que nos podemos encontrar en un alimento, pertenecen fundamentalmente a: - bacterias - hongos
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Tamaño de bacterias y virus
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Morfología de bacteria Gram-positiva
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Pared celular de Gram-positiva y Gram-negativa
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Morfología de hongos
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Saccharomyces cerevisiae
–
21.000
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Bacterias Acinetobacter Aeromonas Alcaligenes Arcobacter Bacillus Brochotrix Campylobacter Carnobacterium Citrobacter Clostridium Corynebacterium Enterobacter Enterococcus
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Erwinia Escherichia Flavobacterium Hafnia Kocuria Lactococcus Lactobacilus Leuconostoc Listeria Micrococcus Moraxella Paenibacillus Pantoea
Pediococcus Proteus Pseudomonas Psychrobacter Salmonella Serratia Shewanella Shigella Staphylococcus Vagococcus Vibrio Weissella Yersinia
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Mohos y Levaduras MOHOS Alternaria Aspergillus Aureobasidium Botrytis Byssochlamys
Cladosporium Colletotrichum Fusarium Geotrichum Monilia
Mucor Penicillium Rhizopus Trichothecium Wallemia Xeromyces
LEVADURAS Brettanomyces Candida Cryptococcus Debaryomyces Hanseniaspora
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Issatchenkia Kluyveromyces Pichia Rhodotorula Sacharomyces
Schizosacharomyces Torulaspora Trichosporon Zygosaccharomyces
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Descripción matemática del crecimiento
El crecimiento de los microorganismos, en muchos casos, es por división binaria. Se distinguen cuatro fases: -
fase fase fase fase
de latencia exponencial estacionaria de muerte
Durante la fase exponencial cada microorganismo se divide a intervalos constantes, y la población se doblará en el transcurso del tiempo conocido como “tiempo de generación”.
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Crecimiento microbiano 64 32 16 8
4
2
1
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Crecimiento microbiano (escala aritmética) 300
Nº de Células
250 200 150 100 50 0 0
2
4
6
8
Nº de divisiones ingredientes antimicrobianos
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Crecimiento microbiano
Número de bacterias
1
2
4
8
16
32
64
Potencia de 2
20
21
22
23
24
25
26
Logaritmo base 2
0
1
2
3
4
5
6
Logaritmo base 10
0
0.30
0.60
0.90
1.2
1.5
1.8
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Tiempo de duplicación (TD) “Es el tiempo requerido para duplicar el número de células o la biomasa”
=
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Nº de duplicaciones Tiempo requerido
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Descripción matemática del crecimiento N0 = población inicial Nt = población al tiempo t
Nt = N0 × 2n
n = nº de generaciones en el tiempo t
log Nt = log N0 + n × log 2
n=
log Nt - log N0 0,3010
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K=
n t
=
log Nt - log N0 0,3010 t
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El alimento como ecosistema Factores intrínsecos
Químicos
•Nutrientes •pH y capacidad Tampón •Potencial Redox •Sustancias antimicrobianas
Factores
Factores
Factores
Efectos
de proceso
extrínsecos
implícitos
netos
Físicos
•HRE/ Aw •Conc. de hielo y estados congelados •Cambios coloidales
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•Cambios en la composición del alimento •Cambios de tipos microbianos •Cambio en el número de microorganismos
•HRE durante el almacenaje •Tª durante almacenaje •Tensión de Oxígeno
•Velocidad de crecimiento de microorganismos •Efectos sinérgicos de los microorganismos
•Efectos atribuibles a los factores que actúan en combinación
•Efectos de antagonismo entre microorganismos
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Límite inferior del pH para el desarrollo. 5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.0
─Cl. botulinum──────────── ─ Cl. perfringens────────── ─ Staph. aureus───────── ───Listeria monocytogenes── ────Bacillus sp ─────────────────── ───── E. coli ──────────────────── ────── Salmonellae ─────────────── ────── B coagulans─────────────────── ─────── Bacterias del acido láctico───────── ───────── Levaduras y mohos ─────────────────────────
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Valores mínimos aproximados de aw necesarios para el crecimientode microorganismos de importancia alimenticia. Organismos Grupos
Organismos específicos
aw mínima
Bacterias productoras de alteraciones
0,91
Levaduras productoras de alteraciones
0,88
Mohos productores de alteraciones
0,80
Bacterias halofílicas
0,75
Mohos xerofílicos
0,65
Levaduras osmofílicas
0,60
Achromobacter
0,96
Aerobacter aerogenes
0,95
Bacillus subtilis
0,95
Clostridium botulinum
0,95
Escherichia coli
0,96
Pseudomonas
0,97
Staphylococcus aureus
0,86
Saccharomyces rouxii
0,62
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Límites de aw para el desarrollo microbiano 1.0
0.95
0.90
0.85
0.60_______
─Pseudomonas s.p.p ───── ─ E.coli ──────────── ── Lactobacillus s.p.p ──── ─── Cl botulinum────────── ──── Cl. perfringens───── ──────Salmonellae ────────── ─────── Listeria monocytogenes ─── ─────── Staph aureus──────────── ─────── Bacillus spp ───────────── ─────── Micrococcus sp ───────────── ───────── Levaduras y mohos──────────────── ───────── Levaduras osmófilas y mohos──────────────── xerófilos ingredientes antimicrobianos
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Clasificación de los microorganismos de importancia en los alimentos según sus temperaturas óptimas aproximadas (ºC)
Tipo de organismo
Temperatura mínima*
Temperatura óptima
Temperatura máxima
Psicrófilos Psicrótrofos Mesófilos Termotrofo Termófilos
-15 -5 +5-10 10 25-45
10-15 20-30 30-37 42-46 50-80
18-20 35-40 c.45 c.50 60-85
* Por razones prácticas definidas como la temperatura a la que el tiempo de generación o duplicación es mayor de 103 minutos.
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Limite inferior de temperatura para el desarrollo microbiano 15ºC
10ºC
5ºC
0ºC
-5ºC____
─ Cl. botulinum ──────── ── Cl. perfringens───────── ── B. cereus ───────────── ─── Staph. aureus──────────── ──── Bacterias del ácido láctico────── ──────Salmonellae ───────────── ────── Cl. botulinum E────────────── ─────── Listeria monocytogenes───────── ─────── Micrococcus sp ────────────── ───────── Pseudomonas fluorescens───────── ───────── Levaduras y mohos ─────────────────
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Valores de los parámetros
Productos cárnicos
pH
4,5
–
aw
0,8
Eh
-200mv –
Temperatura
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–
Desarrollo microbiano
7,0
3,0
–
9,0
0,99
0,75
–
1,00
-200mv
–
+200mv
-15ºC
–
+ 85ºC
+200mv
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Procedencia de la contaminación en un alimento Manipulación Maquinaria y equipos
Métodos de elaboración
Contaminación
Materias primas
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Medio Ambiente
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Principales técnicas de conservación de un alimento Métodos Métodosde deConservación Conservación en alimentos en alimentos
Inhibición Inhibición
-Baja temperatura de -Baja temperatura de
almacenamiento almacenamiento -Reducción aw -Reducción aw -Disminución de Oxígeno -Disminución de Oxígeno -Incremento de CO2 -Incremento de CO2 -Acidificación -Acidificación -Fermentación -Fermentación -Adición de conservadores -Adición de conservadores -Congelación -Congelación -Recubrimiento de la superficie -Recubrimiento de la superficie -Modificaciones estructurales -Modificaciones estructurales -Modificaciones químicas -Modificaciones químicas -Renovación de gases -Renovación de gases -Cambios en la fase de -Cambios en la fase de transición transición
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Inactivación Inactivación
Evitar Evitar recontaminaciones recontaminaciones
-Esterilización -Esterilización
-Pasteurización -Pasteurización -Radiación -Radiación -Por -Porimpulsos impulsoseléctricos eléctricos -Tratamiento -Tratamientocon conpresión presión -Cocción -Cocción -Freiduría -Freiduría -”Blanqueo” -”Blanqueo”(Blanching) (Blanching)
-Envasado -Envasado
-Procesos -Procesoshigiénico higiénico -Almacenamiento -Almacenamientohigiénico. higiénico. -Procesos -Procesosasépticos asépticos
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Cinética de los conservantes Los conservantes son sustancias que inhiben el desarrollo de los microorganismos. Por regla general se consideran “sustancias conservantes” los que actúan a concentraciones inferiores al 0,5% . La cinética de la acción de los conservadores viene dada por:
K=
1 t
× ln
z0 zt
K = constante de tasa de muerte t = tiempo zo = nº células vivas inicialmente zt= nº células vivas tras el tiempo
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Utilización combinada de conservantes No se acostumbra a utilizar un solo conservante, siendo lo usual emplear una mezcla de ellos. Con ello se pretende: Ampliar el espectro de acción Conseguir efectos sinérgicos Reducir la concentración de conservantes individuales También es frecuente utilizarlos conjuntamente con métodos físicos de conservación (calor, irradiación, refrigeración, altas presiones...)
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Conservantes en la Industria Cárnica
Ácidos Sórbico y Sorbatos
E-200, E-202, E-203
Ácido Acético, Acetatos y Diacetatos
E-260, E-261, E-264, E-263
Parabens
E-214 a E-219
Nitrato y Nitrito
E-249, E-250, E-251, E-252
Dióxido de Azufre y Sulfitos
E-220 a E-228
Pimaricina o Natamicina
E-235
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¿Dónde actúan los conservantes? DNA SÍNTESIS PROTÉICA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA MEMBRANA CELULAR PARED CELULAR EL MECANISMO DE TRANSPORTE DE
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NUTRIENTES
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Nitrato y Nitrito NITRATO Su acción antimicrobiana se dirige exclusivamente hacia las bacterias anaeróbicas y se debe fundamentalmente al nitrito que se genera. El nitrato es convertido en nitrito por acción de las bacterias. NITRITO La acción antimicrobiana se debe al ácido nitroso, y a los ácidos de nitrógeno producidos a partir del mismo. Su efecto aumenta conforme baja el pH. Inhibe la acción de enzimas bacterianas, como las del sistema de la deshidrogenasa y de la utilización de la glucosa.
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Dióxido de Azufre
La acción antimicrobiana del dióxido de azufre se basa esencialmente en la inhibición de las reacciones catalizadas enzimáticamente.
Su efecto inhibitorio es muy importante en enzimas con grupos SH.
También inhibe las reacciones enzimáticas reaccionando con los producto finales e intermedios.
En carne fresca y productos cárnicos inhibe el desarrollo de bacterias.
También estabiliza el color de la carne y en cierta medida pueda dar, al consumidor, una impresión de frescura en la carne.
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Ácidos Orgánicos El pH y el contenido en ácidos orgánicos de un alimento son dos factores que
determinan, no sólo los microorganismos que pueden sobrevivir durante el período de almacenamiento sino también su capacidad para alterar dicho alimento.
A “grosso modo” tanto los microorganismos capaces de alterar un alimento como los de producir intoxicaciones, se desarrollan en un rango de pH comprendido entre 4,0 y 8,0 si bien mohos y levaduras pueden crecer y desarrollarse a un pH más bajo.
El pH de un alimento puede bajarse artificialmente añadiendo cantidades significativas de ácido (acético, cítrico, láctico,...) con el fin de limitar el crecimiento microbiano. ingredientes antimicrobianos
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El efecto combinado de un pH bajo, más una concentración más o menos elevada de un ácido débil, conduce a una acidificación del citoplasma, usualmente suficiente para restringir el desarrollo microbiano, junto con otros efectos más específicos en la actividad celular.
Las soluciones ácidas contienen concentraciones elevadas de protones, tal que H+ y H3O+. En el caso de ácidos fuertes nos encontramos también con aniones (Cl-, SO2-,...) y moléculas no disociadas en el caso de ácidos débiles. De hecho todo ello puede afectar a las células microbianas, bien individualmente, o en combinación.
Diferenciar, a nivel de efectividad, entre pH y acción de los ácidos débiles es importante. Así, mohos y levaduras pueden crecer en pH muy bajos en soluciones de ácidos fuertes, pero no en las de ácidos débiles. ingredientes antimicrobianos
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Descenso del pH exterior por adición de ácidos fuertes inorgánicos Los ácidos fuertes están totalmente disociados en valores de pH próximos a la neutralidad, y ejercen su efecto únicamente por la concentración de protones. Las estructuras celulares que pueden verse afectados serían las membranas
y
estructuras externas, y proteínas de la membrana plasmática. Los protones no pueden pasar prácticamente a través de las membranas de fosfolípidos, ya que tienen una alta densidad de carga, y son insolubles en lípidos. Cuando atraviesan dicha membrana lo hacen muy lentamente, posiblemente a través de “canales de agua” o bien acoplándose a ácidos grasos libres. A modo de resumen se puede decir que los ácidos fuertes no afectan al pH citoplasmático (pHi). ingredientes antimicrobianos
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Propiedades de los ácidos orgánicos y ésteres Vamos a considerar cuatro:
El valor pKa
El coeficiente de reparto
La solubilidad
La volatilidad
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El valor Pka En solución los ácidos débiles no están totalmente disociados en sus iones, sino que hay un equilibrio entre las moléculas de ácido sin carga, y sus respectivos aniones y cationes.
HA Ácido
-
+
A + H Anión
Catión
La proporción de ácido/anión es dependiente del pH, y así a pH bajo, la alta concentración de protones dará lugar a una mayor proporción de moléculas de ácido y a menos aniones. El pKa es el pH al que las concentraciones de ácido y anión son iguales. Para varios ácidos se asume que sólo la parte no disociada tiene capacidad antimicrobiana, de acuerdo a ello en valores de pH elevados, superiores al valor de pKa es de esperar que cualquier acción antimicrobiana sea débil. ingredientes antimicrobianos
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Coeficiente de reparto, logPoct Este coeficiente es la medida del carácter lipófilo de un compuesto. logPoct, es el logaritmo de la distribución entre el octogonal y el agua. Así un logPoct de 1,0 indica que el compuesto se distribuye 10 veces más en octanol. Los productos con valores negativos de logPoct son los solubles en agua. Aunque las membranas de los microorganismos no están compuestos por octanol, el logPoct , es un buen parámetro del reparto de agentes antimicrobianos en las membranas microbianas. El coeficiente de reparto también es un buen indicador de la efectividad de conservantes en alimentos con alto contenido en grasa ya que si son altamente hidrofóbicos se disolverán más en la fase lipídica, lo que conducirá a un descenso de la concentración efectiva. Los valores del logPoct de los aniones, debido a su carga negativa, es dos veces inferior al de su ácido correspondiente, es decir que son menos hidrofóbicos. ingredientes antimicrobianos
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Solubilidad La solubilidad de un compuesto orgánico también se puede deducir de su coeficiente de reparto y así, o más hidrofobicidad, menos solubilidad en agua. La solubilidad de los ácidos orgánicos varia con el pH, y así a pH más bajos, menor es la solubilidad. Los problemas que a veces plantea la solubilidad limitada de un compuesto se puede paliar en parte con agitación mecánica.
Volatilidad En sistemas experimentales, a veces la ausencia de actividad antimicrobiana detectable puede haber sido causada por la agitación en un cultivo aeróbico con agitación. Esto sucede de manera particular con productos tales como el metil-acetato.
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Mecanismos de acción antimicrobiana Los podemos agrupar en cuatro apartados: Acidificación del medio externo Acidificación del citoplasma Acción sobre los lípidos y proteínas de las membranas Quelación de metales Acción sobre el metabolismo
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Acidificación del medio externo Tal vez el efecto antimicrobiano más obvio de la adición de ácidos orgánicos a alimentos y bebidas sea aumentar la concentración de protones conduciendo a un descenso del pH. Cada especie/cepa microbiana sólo puede desarrollarse entre unos valores determinados de pH. Si el pH cae por debajo de este intervalo, se inhibe el crecimiento y el microorganismo puede morir. pH