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¿Qué hace que los microorganismos crezcan?

InvestigacionLa mayoría de los alimentos son altamente perecederos, pues contienen nutrimentos requeridos para el crecimiento microbiano. Para reducir la descomposición de los alimentos y para prevenir las enfermedades de origen alimentario, la proliferación de microorganismos debe ser controlada. El deterioro del alimento debe ser minimizado para prolongar el tiempo durante el cual un nivel aceptable de características fisicoquímicas y organolépticas puede ser mantenido.

Los parámetros (también llamados factores) que afectan la tasa de proliferación de microorganismos se puede categorizar como extrínsecos e intrínsecos.

Parámetros extrínsecos

El término se refiere a los factores ambientales que afectan la tasa de crecimiento de los microorganismos, incluyendo temperatura, disponibilidad de oxígeno (incluyendo presencia y concentración de otros gases) y humedad relativa, así como la presencia y actividades de otros microorganismos.

Temperatura de almacenamiento

Los microorganismos tienen un rango óptimo, así como un mínimo y un máximo de temperatura para crecer. Por lo tanto, la temperatura ambiental determina no solamente la tasa de proliferación sino también los géneros de microorganismos que prosperarán y el grado de actividad microbiana que se registrará.

El cambio de solo unos cuantos grados en la temperatura favorecerá el crecimiento de organismos completamente diferentes y resultará en un tipo distinto de descomposición alimentaria y/o enfermedad de origen alimentario. Es debido a estas características que se emplea el tratamiento térmico como un método para controlar la actividad microbiana.

La temperatura óptima para la proliferación de la mayoría de los microorganismos va de 14°C a 40°C, aunque algunos géneros prosperarán por debajo de 0°C (la temperatura más baja reportada con crecimiento microbiano es de -34°C) y otros géneros crecerán a temperaturas por arriba de 100°C.

La clasificación convencional de los microorganismos, de acuerdo a la temperatura para su óptimo crecimiento incluye:

1.  Termófilos, con buen crecimiento a temperaturas por arriba de 45°C, con crecimiento óptimo entre 55°C y 65°C. Algunos ejemplos son Bacillus stearothermophilus, Bacillus coagulans, Paenibacillus, Clostridium, Geobacillus, Alycyclobacillus, Thermoanaerobacter y Lactobacillus thermophilus.
2.  Mesófilos, con crecimiento sostenido entre 20°C y 45°C y crecimiento óptimo entre 30°C y 40°C. Algunos ejemplos son la mayoría de los microorganismos causantes de descomposición de alimentos y de enfermedades en humanos, así como los que producen efectos deseables en los alimentos.
3.  Psicrotrofos, que toleran y prosperan en temperaturas por debajo de 7°C, con crecimiento óptimo entre 20°C y 30°C. Algunos ejemplos son Alcaligenes, Shewanella, Bronchothrix, Corynebacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Pectobacterium, Psychrobacter, Enterococcus, Pseudomonas y Moraxela-Acinetobacter. Resulta interesante que algunos organismos pueden crecer en un amplísimo rango, que va de 0°C a >40°C, como Enterococcus faecalis.

Bacterias, hongos y levaduras poseen algunos géneros que prosperan en los rangos característicos de termófilos, Mesófilos y Psicrotrofos. Los hongos y levaduras tienden a ser menos termofílicos que las bacterias. Algunas cepas de hongos capaces de crecer a temperaturas de refrigeración pertenecen a los géneros Aspergillus, Cladosporium y Thamnidium.

A medida que la temperatura se acerca a 0°C, menos microorganismos prosperan y su proliferación se hace más lenta. Por debajo de aproximadamente 5°C, la proliferación de los microorganismos que descomponen los alimentos se retarda y el crecimiento de la mayoría de los patógenos cesa.

No obstante, la calidad del producto alimenticio debe ser tomada en cuenta al seleccionar la temperatura de almacenamiento. Aunque puede ser deseable almacenar todos los alimentos a temperaturas iguales o menores a las de refrigeración, esto no es siempre lo mejor para el mantenimiento de la calidad deseable en algunos, como por ejemplo, el plátano, cuya calidad se mantiene mejor en almacenamiento a 13°C-17°C que a 5°C-7°C. De forma similar, muchas verduras se ven favorecidas a temperaturas cercanas a los 10°C, como papa, apio, col y muchos otros. En cada caso, el éxito de la temperatura de almacenamiento depende en gran medida de la humedad relativa (RH) y de la presencia o ausencia de gases como bióxido de carbono y ozono.

 

Disponibilidad de oxígeno y presencia de otros gases en el ambiente

Como con la temperatura, la disponibilidad de oxígeno determina los microorganismos que estarán activos. Algunos tienen un requerimiento absoluto por oxígeno, mientras que otros crecen en ausencia total del gas y otros pueden crecer con o sin oxígeno disponible.

Los microorganismos que requieren oxígeno libre son llamados microorganismos aerobios, mientras que los que prosperan en ausencia de oxígeno son llamados microorganismos anaerobios y los que crecen tanto con presencia como con ausencia de oxígeno libre se conocen como microorganismos facultativos.

El bióxido de carbono es el gas atmosférico más importante que se utiliza para controlar los microorganismos en los alimentos. Junto con el oxígeno, se emplea en los alimentos empacados con atmósfera modificada.

El ozono es otro gas atmosférico con propiedades antimicrobianas y se ha usado por décadas como agente para extender la vida de anaquel de ciertos alimentos. A pesar de ser efectivo contra una variedad de microorganismos, es un agente altamente oxidante por lo que no puede utilizarse en alimentos con alto contenido de lípidos pues podría acelerar la rancidez.

En general, niveles de ozono de 0.15 a 5.00 ppm en el aire inhibe el crecimiento de algunas bacterias que descomponen los alimentos, al igual que el crecimiento de levaduras.

 

Humedad relativa del ambiente

La humedad relativa (RH, por sus siglas en inglés) del ambiente es importante desde el punto de vista de la actividad acuosa dentro de los alimentos y del crecimiento de microorganismos en las superficies. Este factor extrínseco afecta el crecimiento microbiano y puede ser influenciado por la temperatura. Todos los microorganismos tienen un alto requerimiento por agua, necesaria para su crecimiento y actividad.

Cuando la Aw de un alimentos se establece a 0.60, es importante que este alimento sea almacenado bajo condiciones de RH que no permitan que al alimento tome humedad del aire y por tanto incremente su propia Aw de la superficie y sub-superficie a un punto donde pueda darse el crecimiento microbiano.

Una alta humedad relativa puede provocar condensación de humedad en los alimentos, el equipo, paredes y techos. La condensación causa superficies húmedas, que conducen al crecimiento microbiano y descomposición. El crecimiento microbiano es inhibido por una humedad relativa baja.

Cuando los alimentos con valores bajos de Aw se colocan en ambientes de alta RH, los alimentos toman humedad hasta que se alcanza el equilibrio. De manera similar, los alimentos con alta Aw pierden humedad cuando se colocan en un ambiente con baja RH.

Hay una relación entre RH y temperatura que debe tenerse en cuenta al seleccionar los ambientes de almacenamiento apropiados para los alimentos. En general, cuanto mayor la temperatura, menos será la RH, y viceversa.

Las bacterias requieren una humedad mayor que levaduras y hongos. La humedad relativa óptima para las bacterias es de 92% o superior, mientras que las levaduras prefieren valores de 90% o superior y los hongos prosperan si la humedad relativa está entre 85% y 90%.

Los alimentos que experimentan descomposición superficial por hongos, levaduras y ciertas bacterias deberán ser almacenados bajo condiciones de baja RH. Las carnes mal empacadas como pollos enteros y cortes de res tienden a sufrir mucha descomposición superficial en el refrigerador antes de que ocurra la descomposición profunda, debido a la  generalmente alta RH en los refrigeradores y al hecho de que la biota que descompone la carne es esencialmente aerobia en naturaleza.

Aunque es posible disminuir la posibilidad de descomposición superficial en ciertos alimentos almacenándolos en condiciones de baja RH, debe recordarse que el alimento en si perderá humedad hacia la atmósfera bajo dichas condiciones y por tanto se volverá indeseable.

Al seleccionar las condiciones apropiadas de RH, se deberá considerar tanto la posibilidad de crecimiento microbiano superficial como la calidad que se desea mantener en el alimento en cuestión. Alterando la atmósfera gaseosa es posible retardar la descomposición superficial sin bajar la humedad relativa.

 

Presencia y actividades de otros microorganismos

Algunos organismos de origen alimenticio producen substancias que pueden inhibir o ser letales para otros; estos incluyen antibióticos, bacteriocinas, peróxido de hidrógeno y ácidos orgánicos.

De especial interés han resultado las bacteriocinas producidas por bacterias productoras de ácido láctico, que se originan en varios alimentos, como las carnes. Las bacteriocinas producidas por bacterias Gram-positivo son proteínas biológicamente activas con demostrado modo de acción bactericida. Ciertas bacteriocinas producidas por estas bacterias inhiben una variedad e patógenos de origen alimentario, incluyendo Bacillus cereus, Clostridium perfringens, Listeria spp, Aeromonas hydrophila y Staphylococcus aureus, entre otros.

Entre algunas de las bacterias productoras de ácido láctico y bacteriocinas se encuentran, como referencia, cepas de las siguientes:

• Carnobacterium piscícola
Lactobacillus acidophilus
Lactobacillus bavaricus
Lactobacillus lactis
Lactobacillus plantarum
Lactobacillus sake
Lactobacillus viridescens
Leuconostoc sp
Pediococcus pentosauceus

Pediococcus sp.Lactobacillus sp.

 

Parámetros intrínsecos

Los factores intrínsecos que afectan la tasa de proliferación se relacionan más a las características de los substratos (alimentos o desechos) que sostienen o afectan el crecimiento de los microorganismos, incluyendo actividad acuosa, pH, potencial de oxidación-reducción, contenido de nutrimentos,  substancias inhibidoras y estructuras biológicas.

Actividad acuosa

Una reducción en la disponibilidad de agua reduce la proliferación microbiana. El agua disponible para la actividad metabólica y no el contenido total de humedad determina el grado de crecimiento microbiano.

La unidad de medida para el requerimiento de agua de los microorganismos es normalmente expresada como actividad acuosa o actividad de agua (Aw, por sus siglas en inglés), definida como la presión de vapor de agua del sustrato-alimento, dividida por la presión de vapor de agua pura a la misma temperatura. Este concepto se relaciona con la humedad relativa así: RH=100 x Aw

El agua pura tiene una Aw de 1.00, una solución de NaCl al 22% (peso/volumen) tiene una Aw> de 0.86 y una solución saturada de NaCl tiene una Aw de 0.75

La Aw óptima aproximada para el crecimiento de la mayoría de los microorganismos es 0.99 y la mayoría de las bacterias requiere una Aw mayor de 0.91 para crecer, con las bacterias Gram-negativo requiriendo valores más altos que las bacterias Gram-positivo.

La mayoría de los productos alimenticios naturales tiene una Aw aproximada de 0.99 o superior. Generalmente las bacterias tienen los requerimientos más altos de actividad acuosa, los hongos tienen los más bajos y las levaduras niveles intermedios.

La mayoría de las bacterias que descomponen los alimentos no crecen con una Aw menor a 0.91, pero los hongos y levaduras pueden crecer con valores de 0.80 o menores, incluyendo superficies parcialmente deshidratadas. El valor reportado más bajo para bacterias en alimentos es de 0.75 para las halófilas, mientras que los hongos xerófilos y las levaduras osmófilas han mostrado crecimiento a valores de Aw de 0.65 y 0.61, respectivamente.

Como referencia, los valores aproximados de Aw mínima para el crecimiento de algunos microorganismos importantes en alimentos se muestran a continuación:

Clostridium botulinum, Tipo E (0.97)
Pseudomonas spp (0.97)
Acinetobacter spp (0.96)
Escherichia coli (0.96)
Enterobacter aerogenes (0.95)
Bacillus subtilis (0.95)
Clostridium botulinum, tipos A y B (0.94)
Candida utilis (0.94)
Vibrio parahaemolyticus (0.94)
Botrytis cinerea (0.93)
Rhizopus stolonifer (0.93)
Mucor spinosus (0.93)
Candida scottii (0.92)
Trichosporon pollulans (0.91)
Candida zeylanoides (0.90)
Geotrichum candidum (ca 0.90)
Trichothecium spp (ca 0.90)
Byssochlamys nivea (ca 0.87)
Staphylococcus aureus (0.86)
Alternaria citri (0.84)
Penicillium patulum (0.81)
Eurotium repens (0.72)
Aspergillus glaucus (0.70)
Aspergillus conicus (0.70)
Aspergillus achinulatus (0.64)
Zygosaccharomyces rouxii (0.62)
Xeromyces bisporus (0.61)

Escherichia coli Staphylococcus aureus

Cuando se emplea sal para controlar la Aw se requiere una gran cantidad para alcanzar valores de Aw menores a 0.80.

El efecto general de bajar la actividad acuosa por debajo del óptimo es incrementar la duración de la fase de crecimiento latente (o lag, como también se le conoce) y disminuir la tasa de crecimiento y el tamaño de la población final. Este efecto resulta de influencias adversas de la disminución de agua sobre las actividades metabólicas ya que todas las reacciones químicas en la célula requieren de un ambiente acuoso.

Debe mantenerse en mente, sin embargo, que la actividad acuosa es influenciada por otros parámetros ambientales como pH, temperatura de crecimiento y EH.

En general, la estrategia empleada por los microorganismos como protección contra el estrés osmótico es la acumulación intracelular de solutos compatibles. Los halófilos (como Halobacterium spp) mantienen el equilibrio osmótico al mantener la concentración de KCl en su citoplasma igual al del solvente en que está suspendido, en lo que se conoce como “respuesta de sal en citoplasma”. Los no halófilos acumulan solutos compatibles (osmolitos) en una manera bifásica): la primera respuesta es incrementar K+ (y endógenamente sintetizar glutamato), y la segunda respuesta es incrementar, ya sea por síntesis de novo o por adquisición del medio, solutos compatibles. Estos últimos son moléculas muy solubles que no tienen carga neta al pH fisiológico y no se adhieren o reaccionan con las macromoléculas intracelulares.

Los 3 solutos compatibles más comunes en la mayoría de las bacterias son carnitina, glicina-betaína y prolina. La carnitina puede ser sintetizada de novo, pero las otras dos no pueden serlo (usualmente). La prolina es sintetizada por algunas bacterias Gram-positivo mientras que es transportada por los Gram-negativo. La solubilidad de glicina-betaína en 100 ml de agua a 25°C es 160 g, mientras que para prolina es 162 g. La glicina-betaína es empleada por un mayor número de organismos vivientes que los otros dos osmolitos.

La adquisición de osmolitos es mediada por un sistema de transporte, con las moléculas que actúan como transportadoras variando en ocasiones entre los diferentes microorganismos. Como ejemplo, en Listeria monocytogenes, glicina-betaína es transportada por BetL (une la acumulación de betaína a un motivo Na+ ) y Gbu (transporta betaína) mientras que el transportador para carnitina es OpuC.

Debido a que puede crecer a 4°C, se ha demostrado que L. monocytogenes puede crecer a bajas temperaturas mediante la ayuda por la acumulación de glicina-betaína. Lo mismo sucede con Yersinia enterocolitica.

Las levaduras osmófilas acumulan alcoholes polihídricos en una concentración acorde a su actividad acuosa extracelular. Los hongos xerófilos acumulan solutos compatibles u osmoreguladores como consecuencia de la necesidad de solutos internos altos para hacer posible el crecimiento a A
w baja.

Se sabe que el crecimiento de al menos algunas células puede ocurrir en grandes números a valores reducidos de A
w, aunque ciertos productos extracelulares no son producidos. Por ejemplo, la actividad acuosa reducida resulta en la suspensión  de la producción de enterotoxina B por S. aureus, aunque se producen al mismo tiempo grandes cantidades de células. En el caso de Neurospora crassa, la baja Aw resulta en alteraciones no letales de permeabilidad en la membrana celular, llevando a una pérdida de varias moléculas esenciales.

 

pH

Los efectos del pH adverso afectan por lo menos dos aspectos de la célula microbiana: el funcionamiento de sus enzimas y el transporte de nutrimentos hacia la célula. La membrana citoplásmica de los microorganismos es relativamente impermeable a los iones H+ y OH; su concentración en el citoplasma permanece razonablemente constante a pesar de amplias variaciones que pueden ocurrir en el pH del medio circundante.

Cuando los microorganismos se ven en un ambiente por debajo o por arriba del nivel de neutralidad, su habilidad para proliferar depende de su habilidad para cambiar el pH ambiental a un rango más apropiado para ello, pues compuestos clave como DNA o ATP requieren de un medio neutro.

Cuando se colocan en ambientes ácidos, las células deben evitar que los H+ entren o expulsarlos tan pronto como entran. Al estar en un medio ácido, la actividad metabólica de la mayoría de los microorganismos provoca que el medio o sustrato se vuelvan menos ácido, mientras que aquellos que creen en ambientes con pH elevado tienden a bajar el pH del sustrato o medio.

Las aminoácido descarboxilasas, que tienen una actividad óptima alrededor de pH 4.0 y casi no muestran actividad a pH 5.5, causan un ajuste espontáneo del pH hacia la neutralidad cuando las células crecen en medio ácido. Bacterias como Clostridium acetobutylicum elevan el pH del sustrato al reducir el ácido butírico a butanol, mientras que Enterobacter aerogenes produce acetoina a partir de ácido pirúvico para elevar el pH de su medio de crecimiento.  Cuando los aminoácidos son descarboxilados, el incremento en pH ocurre por las aminas resultantes. Cuando crecen en el rango alcalino, el grupo de aminoácido desaminasas que tienen actividad óptima a pH cercano a 8.0, causan el ajuste espontáneo del pH hacia la neutralidad como resultado de los ácidos que acumulan.

Con respecto al transporte de nutrimentos, las células bacterianas tienden a tener una carga residual negativa y por tanto los compuestos no ionizados pueden entrar a las células mientras que los compuestos ionizados no pueden. A pH neutro o alcalino, los ácidos orgánicos no entran a la célula, mientras que a valores de pH ácido estos compuestos no están ionizados y pueden entrar a las células cargadas negativamente. Adicionalmente, el carácter iónico de los grupos ionizables de la cadena lateral se ve afectado en cualquier lado de la neutralidad, resultando en la mayor desnaturalización de enzimas de membrana y de transporte.

El pH para el crecimiento óptimo de la mayoría de los microorganismos está cercano a la neutralidad (pH = 6.6 a 7.5). Las levaduras pueden crecer en un ambiente ácido y prosperan en un rango intermedio (4.0 a 4.5) aunque sobreviven a valores entre 1.5 y 8.5. Los hongos toleran un amplio rango (0.5 a 11.0) pero su crecimiento es generalmente mayor con un pH ácido (demasiado ácido para bacterias y levaduras).

El crecimiento bacteriano está normalmente favorecido por valores pH cercanos al nivel neutro. No obstante, las bacterias acidófilas crecen en sustratos con un pH de hasta 5.2 y por debajo de dicho punto el crecimiento se reduce dramáticamente.

Como referencia, los rangos de pH aproximados para el crecimiento de algunos de los microorganismos causantes de enfermedades de origen alimentario, son:

Acetobacter spp (pH=4.0-9.2)
Alicyclobacillus spp. (pH=2.0-6.0)
Bacillus cereus (pH=5.0-9.5)
Campylobacter spp (5.0-9.0)
Clostridium botulinum (pH=4.5-8.5)
Clostridium perfringens (pH=5.0-8.5)
Escherichia coli (pH=4.5-9.0)
Listeria monocytogenes (pH=4.2-9.8)
Staphylococcus aureus (pH=4.2-9.8)
Vibrio cholerae (pH=5.0-9.7)
Vibrio parahaemolyticus (pH=5.0-11.0)
Yersinia enterocolitica (pH=4.2-9.0)

Listeria monocytogenesBacillus cereus

Los valores presentados arriba no deben tomarse como fronteras absolutas, pues en un momento dado serán dependientes de otros parámetros de crecimiento. Por ejemplo, el pH mínimo de ciertos lactobacilos es dependiente del tipo de ácido utilizado, pues los ácidos cítrico, clorhídrico, fosfórico y tartárico permiten el crecimiento a un pH más bajo que los ácidos acético o láctico. En otro ejemplo, la presencia de 0.2 M de cloruro de sodio permite el crecimiento de Alcaligenes faecalis en un rango más amplio de pH que en la ausencia de cloruro de sodio o en la presencia de 0.2 M de citrato de sodio.

Adicionalmente, el pH del sustrato se vuelve más ácido con el incremento de temperatura, lo que confirma que otros factores ambientales pueden interactuar con el pH.

Las frutas, los vinagres y los vinos presentan por lo general valores de pH menores a los requeridos para el crecimiento de bacterias, por lo que usualmente pueden presentar descomposición por hongos y levaduras. La mayoría de las verduras tienen valores de pH menores a los de las frutas y en consecuencia las verduras están más expuestas a descomposición por bacterias que por hongos.

En contraste, la mayoría de las carnes y productos del mar tienen valores aproximados de pH igual o superior a 5.6, lo que los hace susceptibles a descomposición por bacterias, hongos y levaduras.

 

Potencial de oxidación-reducción

Por décadas se ha sabido que los microorganismos muestran varios grados de sensibilidad al potencial de oxidación-reducción de su medio de crecimiento.

El potencial de oxidación-reducción (O/R) es un indicador del poder oxidante y reductor de un sustrato; es decir, el potencial O/R de un sustrato puede ser definido generalmente como la facilidad con que un sustrato pierde o gana electrones (cuando un elemento o compuesto pierde electrones, el sustrato es oxidado, mientras que cuando un sustrato gana electrones se vuelve reducido; por lo tanto, un sustrato que entrega fácilmente electrones es un buen agente reductor y uno que fácilmente recibe electrones es un buen agente oxidante).

Para lograr el crecimiento óptimo, algunos microorganismos requieren condiciones reducidas y otros requieren condiciones oxidadas.

El potencial O/R de un sistema es expresado por el símbolo Eh (cuando los electrones son transferidos de un compuesto a otro, una diferencia potencial es creada entre los dos compuestos; esta diferencia puede medirse y expresarse como milivoltios [mV]). Mientras más oxidada sea una substancia, su potencial eléctrico será más positivo y mientras más reducida sea una substancia su potencial eléctrico será más negativo. Cuando la concentración de oxidante y reductor es igual, existe un potencial eléctrico de cero.

Los microorganismos saprofíticos que son capaces de transferir hidrógeno como H+ y e (electrones) al oxígeno molecular son aerobios, es decir, los microorganismos aerobios requieren valores Eh positivos (oxidados) para su crecimiento, mientras que los anaerobios requieren valores negativos de Eh (reducidos). Los microorganismos facultativos pueden crecen en cualquiera de las condiciones.

Es de considerarse que los valores máximos y mínimos de Eh (en mV) necesarios para el crecimiento de aerobios o anaerobios pueden ser letales para el otro grupo.

Entre las substancias en los alimentos que ayudan a mantener condiciones reductoras están los grupos –SH en las carnes y el ácido ascórbico, así como los azúcares reductores en frutas y verduras.

El potencial O/R de un alimento está determinado por:

1. El potencial O/R característico del alimento original.
2. La capacidad del alimento para resistir cambios en el potencial.
3. La tensión de oxígeno en la atmósfera alrededor del alimento.
4. El acceso de la atmósfera al alimento.

Con respecto a los requerimientos Eh de los microorganismos, algunas bacterias requieren condiciones reducidas para iniciar el crecimiento (Eh aproximada de -200 mV) mientras que otras requieren un Eh positivo para crecer. En la primera categoría están las bacterias anaerobias como las del género Clostridium y a la última pertenecen bacterias como algunos miembros del género Bacillus.

Algunas bacterias aerobias crecen mejor bajo condiciones ligeramente reducidas y estos organismos se conocen como microaerófilos; algunos ejemplos son los Lactobacillus y los Campylobacter.  La mayoría de los hongos y levaduras encontradas en alimentos son aerobios, aunque algunos pocos tienden a ser anaerobios facultativos.

En relación al valor Eh de los alimentos, los de origen vegetal, especialmente los jugos, tienden a tener valores Eh de +300 a +400 mV, por lo que no es sorprendente encontrar que las bacterias aerobias y hongos son la causa común de descomposición en productos de este tipo. Las carnes sólidas tienen valores Eh alrededor de -200 mV; en las carnes molidas, el Eh está generalmente alrededor de +200 mV. Los quesos de varios tipos muestran valores Eh en el rango de -20 a -200 mV.

Los microorganismos pueden alterar el potencial de oxidación-reducción de un alimento, al grado que la actividad de otros microorganismos se ve restringida. Por ejemplo, los anaerobios pueden disminuir el potencial a tal grado que se inhibe el crecimiento de aerobios por completo.

A medida que los aerobios crecen, el oxigeno del medio disminuye, resultando en la disminución del Eh; el crecimiento no se hace más lento como podría esperarse, sin embargo, gracias a la capacidad de las células para utilizar substancias donadoras de oxígeno o receptoras de hidrógeno en el medio. El resultado es que el medio se vuelve pobre en substancias oxidantes y rico en substancias reductoras.

El Eh del medio también puede ser reducido por los microorganismos mediante la producción de ciertos subproductos metabólicos como el ácido sulfhídrico (H2S) que tiene la capacidad de bajar el Eh hasta -300 mV; dado que el H2S reacciona fácilmente con O2, se acumulará solamente en ambientes anaerobios.

Dado que el Eh es dependiente del pH del sustrato, cuando se indica el Eh se debe indicar también el valor de pH. Normalmente Eh es medido a pH 7.0 y tiende a ser más negativo a medida que progresan condiciones más alcalinas.

 

Contenido de nutrimentos

Además de agua y oxígeno (excepto los anaerobios), los microorganismos tienen otros requerimientos de nutrimentos. La mayoría necesita fuentes externas de nitrógeno, energía (carbohidratos, proteínas o lípidos), minerales, así como vitaminas y factores de crecimiento relacionados para poder crecer.

En general, los hongos tienen el menor requerimiento de nutrimentos, seguidos por las bacterias Gram-negativo, luego las levaduras y finalmente las bacterias Gram-positivo, que son las que tienen los mayores requerimientos.

Las fuentes primarias de nitrógeno utilizadas por los microorganismos heterotróficos son los aminoácidos. Un gran número de otros compuestos nitrogenados pueden servir para esta función por varios tipos de organismos. Algunos microbios, por ejemplo, pueden utilizar nucleótidos y aminoácidos libres, mientras que otros son capaces de utilizar péptidos y proteínas. En general, los compuestos simples como aminoácidos serán utilizados por casi todos los organismos antes de atacar compuestos más complejos como las proteínas de alto peso molecular. Lo mismo aplica para polisacáridos y lípidos.

Como fuentes de energía, los microorganismos en los alimentos suelen utilizar azúcares, alcoholes y aminoácidos. Los hongos son los más eficientes en la utilización de proteínas, carbohidratos complejos y lípidos pues contienen enzimas capaces de hidrolizar estas moléculas en componentes más simples.

Muchas bacterias tienen una capacidad similar, pero la mayoría de las levaduras requieren moléculas más simples.

Todos los microorganismos necesitan minerales, aunque los requerimientos de vitaminas varían. Los hongos y algunas bacterias pueden sintetizar suficientes vitaminas del grupo B para cubrir sus necesidades, mientras que otros deben contar con una fuente de estas y los alimentos son una excelente fuente.

Las bacterias Gram-positivo son las que tienen menor capacidad de síntesis y por tanto deben recibir uno o más de estos compuestos para crecer. En contraste, las bacterias Gram-negativo y los hongos son capaces de sintetizar la mayoría si no es que todos sus requerimientos y en consecuencia estos 2 grupos de organismos pueden crecer en alimentos con bajo contenido de vitaminas B.

Las frutas tienen a tener menor contenido de vitaminas B que las carnes y este hecho, junto con el pH normalmente bajo y el valor Eh positivo de las frutas, ayuda a explicar la descomposición de estos productos por hongos más que por bacterias.

 

Substancias inhibidoras

La proliferación microbiana puede ser afectada por la presencia o ausencia de substancias inhibidoras. Las substancias o agentes que inhiben la actividad microbiana se conocen como bacteriostáticas, mientras que aquellas que destruyen a los microorganismos se conocen como bactericidas.

La estabilidad de algunos alimentos contra el ataque por microorganismos se debe a la presencia de ciertas sustancias de origen natural que poseen y expresan actividad antimicrobiana. Algunas especies de plantas se conocen por contener aceites esenciales que poseen actividad antimicrobiana; entre estos están el eugenol en el clavo, alicina en el ajo, aldehído cinámico y eugenol en la canela, alil-isotiocianato en la mostaza, eugenol y timol en la salvia y carvacrol (isotimol) y timol en el orégano.

La leche bovina contiene varias substancias antimicrobianas, incluyendo lactoferrina, conglutina y el sistema lactoperoxidasa. La leche bronca contiene un inhibidor de rotavirus que puede inhibir hasta 106 pfu (unidades formadoras de placa)/ml; este inhibidor es destruido en la pasteurización. La caseína láctea así como algunos ácidos grasos libres también pueden mostrar propiedades antimicrobianas bajo ciertas condiciones.

Los huevos contienen Lisozima, como la leche, y esta enzima, junto con la conalbúmina, provee a los huevos frescos con un sistema antimicrobiano bastante eficiente. Los derivados del ácido hidroxicinámico (ácidos p-cumárico, ferúlico, cafeico y clorogénico) que se encuentran en las frutas, verduras, te, melazas y otras fuentes vegetales muestran actividad antibacteriana y algo de actividad antifúngica.

La lactoferrina es una glucoproteína inhibidora para algunas bacterias de origen alimentario y se usa como un agente bloqueador microbiano en las canales de res. La ovotransferrina es una sustancia inhibidora en la clara de huevo crudo, que inhibe Salmonella enteriditis.

Las vacuolas celulares de las plantas crucíferas (col, colecita de Bruselas, brócoli, nabo, etc.) contienen glucosinolatos, que al momento de daño o molestia mecánica producen isotiocianatos. Algunos de estos contienen tanto actividad antifúngica como antibacterial.

Algunas substancias bacteriostáticas como los nitritos, se adicional durante el procesamiento de los alimentos. Los bactericidas son empleados por lo general como un método para descontaminar o sanitizar equipo, utensilios o habitaciones.

 

Estructuras biológicas

La cobertura natural de algunos alimentos proveen excelente protección contra la entra y daño posterior de organismos dañinos. En esta categoría se incluyen estructuras como la testa de las semillas, la piel exterior de las frutas, la concha de las nueces, el cuero de los animales y la cáscara del huevo.

 

Los efectos que los factores como temperatura, oxígeno, pH y actividad acuosa tienen en la actividad microbiana pueden ser dependientes entre sí. Los microorganismos en general son más sensibles a la disponibilidad de oxígeno, pH y Aw a temperaturas cercanas a los niveles mínimo y máximo para su crecimiento. Por ejemplo, las bacterias pueden requerir un pH más elevado, mayor Aw y temperatura mínima para crecer bajo condiciones anaerobias que cuando prevalecen las condiciones aerobias.

Los microorganismos que crecen a bajas temperaturas son normalmente aerobios y generalmente tienen un requerimiento de Aw elevada. Bajando la actividad acuosa, agregando sal o eliminando el oxígeno de alimentos (como la carne) que ha sido mantenido en refrigeración reduce dramáticamente la tasa de descomposición microbiana.

Normalmente, hay algún crecimiento microbiano cuando uno de los factores que controlan la tasa de crecimiento está en un nivel limitante. Si más de un factor se vuelve limitante, el crecimiento microbiano se reduce casi por completo o se detiene.

Especial mención requieren las biopelículas (biofilms), microcolonias de bacterias estrechamente asociadas con una superficie inerte, unidas por una matriz de material similar a un polisacárido complejo en el cual otros desechos, incluyendo nutrimentos y microorganismos, pueden estar atrapados.

Una biopelícula es un ambiente único que los microorganismos generan por si mismos, permitiendo el establecimiento de una “cabeza de playa” en una superficie resistente a tratamientos intensos con agentes sanitizantes.  Cuando un microorganismos de posa en la superficie, se une con la ayuda de filamentos o tendrilos y produce un material tipo polisacárido, una substancia pegajosa, que adherirá en materia de horas la posición de la bacteria en la superficie y funcionará como un pegamento al cual el material nutritivo de adherirá con otras bacterias y, en ocasiones, incluso virus.

La bacteria se atrinchera en la superficie, con la ayuda de numerosos apéndices. Las bacterias dentro de las biopelículas pueden ser más de 1,000 veces más resistentes a los sanitizantes que aquellas dispersas en solución.

Una biopelícula construye sobre sí misma, agregando varias capas del material polisacárido poblado con microorganismos, como Salmonella, Listeria, Pseudomonas y otros comunes al ambiente específico.

El mayor tiempo de contacto del organismo con la superficie contribuye al tamaño de las microcolonias formadas, la fuerza de la unión y la dificultad para removerlo. La biopelícula eventualmente se volverá un duro “plástico” que con frecuencia solo podrá ser retirado mediante un tallado intensivo.

Aunque las superficies limpias pueden ser sanitizadas, una biopelícula firmemente establecida tiene capas de organismos que pueden estar protegidos del sanitizante.

Las biopelículas se forman en dos etapas. Primero ocurre una atracción electrostática entre la superficie y el microorganismo; el proceso es reversible en esta etapa. La siguiente fase ocurre cuando el microorganismo exuda el polisacárido extracelular que lo une firmemente a la superficie; las células continúan su crecimiento, formando microcolonias y finalmente, la biopelícula.

La información actual sugiere que la aplicación de calor puede ser más efectiva que los sanitizantes químicos para remover las biopelículas (las biopelículas protegen contra la penetración de químicos hidrosolubles como cáusticos, blanqueadores, yodóforos, fenoles y sanitizantes de amonio cuaternario). Las superficies con antiadherentes como el teflón son en apariencia más fáciles de limpiar cuando tienen biopelículas, que las superficies de acero inoxidable.

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2 comentarios

  1. Ember Mendoza Perdomo

    Gracias, exelente informacion soy estudiante de gastronomia, y este aparte ha sido de vital importancia en mi aprendizaje.

    26/08/2012 en 10:54

    • StaffNP

      Hola Ember,

      Nos da mucho gusto que la información te resultara de utilidad. Pronto aparecerán nuevos artículos relacionados a la microbiología de los alimentos.

      Saludos.

      26/08/2012 en 10:58