3. ECOLOGÍA MICROBIANA DE LOS ALIMENTOS 3.3 Factores Intrínsecos

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1 3. ECOLOGÍA MICROBIANA DE LOS ALIMENTOS 3.3 Factores Intrínsecos
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIHUAHUA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS MICROBIOLOGÍA DE ALIMENTOS 3. ECOLOGÍA MICROBIANA DE LOS ALIMENTOS 3.3 Factores Intrínsecos Dr. Iván Salmerón Q.B.P. Carolina Nájera Domínguez Chihuahua, Chihuahua A 23 de Febrero 2011

2 FACTORES INTRÍNSECOS Relacionados con el ALIMENTO, su composición y características Concentración de iones hidrógeno: pH Actividad de agua: Aw Potencial de Óxido-Reducción: RedOx Son aquellos que tienen que ver con el alimento en sí, su composición y características. Dentro de este grupo se encuentra el ph, actividad del agua (aw), potencial de oxido-reducción, cantidad de nutrientes y sistema antimicrobiano Cantidad de Nutrientes Disponibles Sustancias inhibidoras y estructura biológica Efectos Combinados

3 transporte de protones
pH transporte de protones ATP Rango estrecho pues a un pH externo muy desfavorable se requiere un gran consumo de energía para mantener el pH interno Lactato-permeasa E. coli establece un gradiente de protones (H+) entre ambos lados de la membrana utilizando energía para bombear protones hacia afuera de la célula. Luego éstos se acoplan a la lactosa a nivel de la lactosa-permeasa que usa la energía del protón moviéndose a favor de su gradiente de concentración para transportar la lactosa dentro de la célula. Los microorganismos regulan su pH interno mediante un sistema de transporte de protones que se encuentra en la membrana citoplasmática, que incluye una bomba de protones ATP dependiente. El rango de pH óptimo para el desarrollo de los microorganismo es estrecho debido a que frente a un pH externo muy desfavorable se requiere un gran consumo de energía para mantener el pH interno. Un ejemplo de ese mecanismo es el siguiente: Escherichia coli establece un gradiente de protones (H+) entre ambos lados de la membrana utilizando energía para bombear protones hacia afuera de la célula. Luego estos protones se acoplan a la lactosa (un azúcar que sirve de nutriente al microorganismo) a nivel de la lactosa-permeasa (otra proteína de transmembrana), la lactosa permeasa usa la energía del protón moviéndose a favor de su gradiente de concentración para transportar la lactosa dentro de la célula.

4 Mejor cerca de la neutralidad
pH Máximo Óptimo Mínimo Cada microorganismo tiene un pH mínimo, máximo y óptimo de crecimiento. A las células microbianas les afecta el pH del alimento pues carecen de un sistema de regulación interno o propio. Levaduras: 2 – 11.4, óptimo a 6. Las levaduras fermentativas crecen a pH de 4 a 4.5 (zumos de frutas) y las levaduras formadoras de película crecen en alimentos ácidos como el sauerkraut y encurtidos Mohos: 2 – 9. Los mohos son los que toleran mayor acidez. Bacterias: 4.5 – 9.65, óptimo a 7.5. El crecimiento de bacterias se estimula a pH cercanos a la neutralidad, aunque las bacts acidificantes son estimuladas por un medio ácido y las bacts con actividad proteolítica crecen mejor en medios básicos (clara de huevo almacenado). En gral, levaduras y mohos toleran mejor la acidez que las bacterias. pH= Óptimo = 6 Fermentativas 4 – 4.5 pH= Óptimo = 7.5 Mejor cerca de la neutralidad pH= Toleran mayor acidez

5 pH Alimentos con pH ácido o neutro
pH < 4.5 sin alteraciones por bacterias, más por mohos y levaduras Por lo General los Alimentos Ácidos son Menos Susceptibles de Contaminarse La mayoría de los alimentos tienen un pH neutro o ácido ejemplos Los que tienen pH bajo (<4.5) no se alteran fácilmente por bacterias sino por mohos y levaduras. Los alimentos ácidos son más estables que los neutros. Se conservan bien por su bajo pH, las frutas, bebidas refrescantes, leches fermentadas (bajo por el ácido láctico), el sauerkraut y los encurtidos.  El pH de un alimento se puede determinar fácilmente por medio de un potenciómetro mas info, NOM. También es útil conocer cuál es el ácido responsable del pH bajo en un alimento, ya que unos (como los ácidos orgánicos, tienen mayor poder inhibidor que otros); gracias a su capacidad inhibitoria, algunos ácidos son considerados como buenos acidulantes y conservadores. Ácidos orgánicos: acético, benzoico, cítrico, láctico, propiónico y sórbico.

6 pH Es útil conocer el ácido responsabledel pH bajo en un alimento, ya que unos tienen mayor poder inhibidor que otros Ácidos orgánicos: acético, benzoico, cítrico, láctico, propiónico y sórbico buenos acidulantes y conservadores El pH de un alimento se puede determinar por medio de un potenciómetro El pH de un alimento se puede determinar fácilmente por medio de un potenciómetro mas info, NOM. También es útil conocer cuál es el ácido responsable del pH bajo en un alimento, ya que unos (como los ácidos orgánicos, tienen mayor poder inhibidor que otros); gracias a su capacidad inhibitoria, algunos ácidos son considerados como buenos acidulantes y conservadores. Ácidos orgánicos: acético, benzoico, cítrico, láctico, propiónico y sórbico.

7 pH Favorable Desfavorable El pH influye en la velocidad de multiplicación de los microorganismos y en la cantidad que de ellos sobrevive en los alimentos durante su almacenamiento, tratamiento térmico, desecación, u otro tratamiento. Pueden darse dos condiciones: Que el pH inicial sea favorable y se torne desfavorable Que al inicio el pH impida el rápido crecimiento de microorganismos pero su metabolismo lo vuelva un lugar óptimo El pH influye en la velocidad de multiplicación de los microorganismos y en la cantidad que de ellos sobrevive en los alimentos durante su almacenamiento, tratamiento térmico, desecación, u otro tratamiento

8 Aw Agua disponible para llevar a cabo reacciones
La cantidad de agua que requiere cada microorganismo es distinta: Tomado de: cap. 1. Badui Microorganismo Mínima Bacterias dañinas 0.91 Levaduras dañinas 0.88 Hongos dañinos 0.80 Bacteria halófila 0.75 Levadura osmófila 0.60 Ya que sin agua es imposible el crecimiento, los microorganismos requieren de ella para desarrollarse en los alimentos, por lo cual, el agua que requiere cada tipo de microorganismo es distinto. Se expresa como el agua disponible; definida como la presión de vapor de la solución (de sustancias disueltas en aguan en la mayoría de los alimentos), divida por la presión de vapor del disolvente (generalmente agua).

9 Aw Los alimentos tienen distinta Aw: Alimento Aw Microorganismo Carne
0.98 Bacterias: Acinetobacter, Pseudomonas Mohos: Cladosporium, Geotrichum Levaduras: Candida, Rhodotorula Frutas Bacterias: Gram negativas Mohos: Cladosporium, Trichoderma Hortalizas Bacterias: Pseudomonas, Alcaligenes Mohos: Fusarium, Penicillium

10 Aw Alimento Aw Microorganismo Carnes curadas 0.93 – 0.98
Bacterias: Lactobacillus, Bacillus Mohos: Aspergillus, Rhizopus Levaduras: Torulopsis, Candida Embutidos 0.85 – 0.93 Bacterias: Leuconostoc mesenteroides, lactobacilos heterofermentativos Cereales1 0.60 – 0.85 Bacterias: > 102/aerobios en placa Mohos: >103/ g Miel < 0.60 Mohos: Penicillium, Mucor Levaduras: Zygosaccharomyces 1. Para desayunos

11 Aw El agua pasa a no estar disponible por: Solutos y iones en solución
Ósmosis 2. Coloides hidrófilos Agar de 3 a 4% inhibe 3. Agua de cristalización e hidratación El agua libre, cuando cristaliza para formar hielo, ya no puede ser utilizada por las células microbianas El agua pasa a no ser disponible por: Los solutos y los iones fijan el agua de la solución. Por lo tanto, el aumento de la concentración de sustancias disueltas, como azucares y sales, equivale realmente a una desecación del alimento. El agua no solo es fijada por los solutos, sino que, si la concentración de estos en el medio extracelular es superior a su concentración al interior de las células, por ósmosis, el agua se sale de la célula microbiana. Los coloides hidrófilos (geles) convierten el agua en no disponible. Una cantidad de agar tan insuficiente en el medio, (% 3-4), puede impedir el crecimiento de bacterias por dejar menos agua disponible. El agua de cristalización e hidratación no suele estar disponible para los microorganismos. El agua libre, cuando cristaliza para formar hielo, ya no puede ser utilizada por las células microbianas. La Aw de las mezclas agua-hielo (presión de vapor hielo/presión vapor agua) disminuye cuando la T desciende por debajo de 0ºC. Los valores de la Aw del agua pura son 1.00 a 0ºC, a -5ºC, a -10ºC, a -15ºC, a -20ºC, etc. En los alimentos, cuando más hielo se forma, tanto más aumenta la concentración de solutos en el agua sin congelar, disminuyendo su Aw.

12 ↑Hielo  ↑[solutos]  ↓ Aw
Agua libre: aquella que en un alimento se volatiliza fácilmente, se pierde con el calentamiento, se congela primero y es re4sponsable de la Aw. Temperatura Aw 0° C 1, 00 5 °C 0, 953 - 10 °C 0, 907 - 15 °C 0, 846 - 20 °C 0, 823 ↑Hielo  ↑[solutos]  ↓ Aw El agua de cristalización o de hidratación no suele estar disponible para los microorganismos. El agua libre, cuando cristaliza para formar hieloo, ya no puede ser utilizada por las células microbianas. La Aw de las mezclas agua-hielo disminuye cuando la T desciende por debajo de 0ºC. En los alimentos, cuanto más hielo se forma, tanto más aumenta la concentración de solutos en el agua que permanece sin congelar y la Aw disminuye.

13 Tipo de soluto utilizado Valor nutritivo del medio de cultivo
Aw ↓ debajo del valor óptimo Alarga fase lag ↓ vel. de crecimiento ↓ cantidad de sustancia celular Mínima Óptima Máxima Tipo de soluto utilizado Valor nutritivo del medio de cultivo Temperatura Aporte de Oxígeno pH Inhibidores Aw Cada moo tiene una Aw mínima, óptima y máxima para crecer; cuando la Aw desciende por debajo del valor óptimo, se alarga la fase lag (latencia) de crecimiento, disminución de la velocidad de crecimiento y disminución de la cantidad de sustancia celular sintetizada. y estos dependen de algunos factores: Tipo de soluto utilizado para reducir la Aw: para los mohos la Aw mínima de crecimiento es independiente del tipo de soluto utilizado, pero, por ejemplo el KCl, es menos toxico que el de sodio y éste que el sulfato sódico. Valor nutritivo del medio de cultivo: mientras mas apropiado es el medio de cultivo menor es la Aw limitante del crecimiento. Temperatura: T próximas a la óptima, el moo tiene una máxima tolerancia a valores bajos de Aw. Aporte de Oxígeno: en presencia de aire, la multiplicación de los moos aerobios se da a valores dr Aw bajos que cuando no hay aire. pH: cercanos a 7 se tolera la escasa Aw Inhibidores: que reducen el intervalo de valores de Aw que permite la multiplicación de los moo´s.

14 Aw Bacterias Bajos: 0.97 Pseudomonas sp S. aureus Óptimos 0.99 – S. aureus, Salmonella sp E. coli Mohos 0.62 – 0.93 Óptimos 0.98 Aspergillus 0.98 – 0.99 Rhizopus 0.99 Penicillium Bacterias: la mayoría crecen en un medio con Aw de 1.00 aprox, en medios con concentraciones bajas de NaCl (no más del .85%) y azúcar (no más al 1%). La Aw óptima varía entre las distintas especies y en función del propio alimento, pH, O, CO2, etc. Límites bajos: 0.97 Pseudomonas 0.96 E. coli 0.95 Bacillus subtilis 0.94 Enterobacter aerogenes 0.86 Staphylococcus aureus 0.93 Clostridium botulinum Óptimos: Staphylococcus aureus, Salmonella sp. 0.955 E. coli 0.982 Streptococcus faecalis Por otro lado, los mohos presentan diferencias de Aw a la cual germinan las esporas asexuales, que es más amplio a T´s próximas a la óptima de germinación en el medio de cultivo más apropiado. Se ha observado una mínima de 0.62 y máxima de 0.93 Óptima: 0.98 Aspergillus Rhizopus 0.99 Penicillium Para impedir el crecimiento de los mohos, la Aw debería ser menor a 0.62, aunque una inferior a .70 inhibe a la mayoría de los mohos que alteran los alimentos

15 Red-Ox Determinado por la presencia de elementos reductores (que ganan oxigeno y pierden electrones) y oxidantes (que pierden oxigeno y ganan electrones) + Oxidante Reductor Definido por: Potencial de O-R típico del alimento Capacidad de compensación del alimento Presión de oxígeno de la atmósfera existente en torno al alimento Comunicación atmósfera-alimento Eh Determinado por la presencia de elementos reductores (que ganan oxigeno y pierden electrones) y oxidantes (que pierden oxigeno y ganan electrones). Puede tener valores positivos cuando la sustancia o el alimento se comportan como oxidante o negativo cuando se comporta como reductor. Está definido por: Potencial de O-R típico del alimento Capacidad de compensación del alimento (por su resistencia a modificar su potencial) Presión de oxígeno de la atmósfera existente en torno al alimento Comunicación atmósfera-alimento Se denota Eh midiéndose y expresándose en mV. Un sustrato muy oxidado tendría un Eh positivo, y uno reducido lo tendría negativo.

16 Red-Ox Los moo´s se clasifican de acuerdo a sus capacidades de utilizar el oxígeno libre: Aerobios (requieren Eh positivos) Anaerobios estrictos (Eh negativos) Anaerobios facultativos (Eh negativos) Microaerófilos Los moo´s se clasifican de acuerdo a sus capacidades de utilizar el oxígeno libre: Aerobios: necesitan oxigeno libre, pseudomonas, micrococcus, bacillus, mohos. Requieren Eh positivos. Anaerobios estrictos: sólo crecen en ausencia de oxigeno libre. Clostridium, ptopionibacterium. Levaduras. Eh negativos Anaerobios facultativos: en presencia o ausencia de oxígeno, enterobacterias, staphylococcus. Eh negativos Microaerófilos: para crecer necesitan solo una pequeña fracción de oxigeno en la atmósfera, ejemplo; lactobacillus, streptococcus, pediococcus.

17 Red-Ox El valor O-R determina que microorganismos crecerán en él:
Un elevado potencial (oxidante) favorece el crecimiento de aerobios permite el crecimiento de facultativos y un potencial bajo (reductor) permite el crecimiento de anaerobios y facultativos El crecimiento de determinados moo´s puede modificar el potencial de O-R de un alimento para impedir que crezcan otros, por ejemplo, que anaerobios reduzcan el potencial redox hasta un valor tal que se inhiba el crecimiento de los aerobios El valor O-R determina qué moo´s crecerán en él. Un elevado potencial (oxidante) favorece el crecimiento de aerobios, aunque permite el crecimiento de los facultativos y un potencial bajo (reductor) permite el crecimiento de aerobios y facultativos. El crecimiento de determinados moo´s puede modificar el potencial de O-R de un alimento para impedir que crezcan otros, por ejemplo, que anaerobios reduzcan el potencial redox hasta un valor tal que se inhiba el crecimiento de los aerobios. Los alimentos frescos tienen un potencisl dr O-R bajo y bien equilibrado, los de origen vegetal por sustancias reductoras como el ácido ascórbico y azúucares reductores, y los de origen animal porque tienen radicales sulfhidrilo y otros grupos reductores. Algunos tratamientos térmicos o industriales modifican el equilibrio de O-R en un alimento volviéndolo más susceptibles de contaminación, como el caso de los zumos de frutas, a los que se les extrae la pulpa, perdiendo sustancias reductoras, volviéndose un medio de crecimiento para levaduras

18 Cantidad de Nutrientes Disponibles
Cada una de las especies bacterianas tiene una escala definida de necesidades nutritivas Carbohidratos Nitrógeno Aminoácidos La cantidad y clase de nutrientes en un alimento determinan qué moo´s pueden crecer en él. Cada una de las especies bacterianas tiene una escala definida de necesidades nutritivas. Mientras que para algunas especies esta escala es amplia y que pueden crecer en sustratos distintos (coliformes) para otras las opciones nutricionales son reducidas, como algunas bacts patógenas y crecen en pocos sustratos. Se diferencian en los hidratos de carbono que utilizan, desde varios a otras que pueden usar uno o dos, y otras que usan otras fuentes de carbono como ácidos orgánicos, alcoholes, ésteres, etc. Las necesidades de N pueden satisfacerse con amoniaco o nitratos, o con compuestos comnplejos como aa´s, péptidos y proteínas (BAL). Algunos moos no son capaces de desdoblar la lactosa y no crecen bien en leche Los productos de hidrólisis de proteínas, péptidos y aa´s, son utilizados como fuente de energía por moos proteolíticos. Carnes descompuestas por moo´s proteolíticos como como Pseudomonas

19 Sustancias Inhibidoras y Estructura Biológica
Las sustancias inhibidoras existentes en el alimento original, añadidas o producidas en él pueden impedir el crecimiento de determinadas especies de moo´s. La estructura biológica Las sustancias inhibidoras existentes en el alimento original, añadidas o producidas en él (por moo´s o por sistemas de tratamiento) pueden impedir el crecimiento de determinadas especies de moo´s. Lisozima de la clara de huevo. También existe el caso, de que las sustancias inhibidoras sean destruidas por moo´s. Algunos mohos y bacterias destruyen el ácido benzoico. La estructura biológica también influye en la protección de éstos vs moo´s. Las partes internas de plantas y animales vivos son estériles o contienen escasa carga microbiana. Los alimentos, tienen una protección física, como la cáscara de los huevos, la cortea de frutas, o incluso los plásticos con que las cubrimos ayudan a su conservación y determinan el tipo y velocidad de su alteración.

20 Efectos Combinados Todos los factores intrínsecos del alimento influyen en el tipo de microorganismos que pueden contaminarlos Ejemplo: un microorganismo que crece a pH próximo al valor óptimo tolerará mejor los cambios de Aw Como ya vimos, los factores intrínsecos del alimento influyen en el tipo de moo´s que pueden contaminarlos. Hay interacción de éstos factores, por ejemplo, un moo que crece a pH próximo al valor óptimo tolerará mejor los cambios de Aw, de tal manera qué, un valor de pH y Aw no óptimos, tenderán a inhibir el crecimiento de determinado moo. Con el fin de impedir o retardar el crecimiento de los moo´s, se pueden manipulkar varios factores en vez de uno solo.