Cinética del Crecimiento Microbiano

Cinética Microbiana

Se puede definir como el conocimiento y entendimiento de los procesos y reacciones de la vida microbiana, como reproducción, desarrollo, muerte, adaptación, ciclos celulares e interacciones ambientales.

Crecimiento Celular

El crecimiento microbiano se define básicamente como el incremento del número de células. La fisión binaria o bipartición es el proceso por el cual una célula se divide formando dos células iguales. El intervalo transcurrido en la formación de las dos células es llamado generación, y el tiempo requerido es el tiempo de duplicación.

Etapas de Crecimiento

Los parámetros que miden el crecimiento microbiano se pueden diferenciar en 4 fases:

• Fase de latencia
• Fase exponencial
• Fase estacionaria
• Fase de muerte

A partir de la curva de crecimiento, se puede calcular el tiempo que transcurre entre la formación de una célula hija y su división para dar dos nuevas células. Los tiempos de duplicación que interesan fundamentalmente son los que tienen lugar durante la fase exponencial. Por ejemplo, una sola bacteria con un tiempo de duplicación de 20 minutos, creciendo en un alimento, puede producir una población de células superior a 10⁷ a lo largo de una jornada de 8 horas.

Factores que Influyen en el Crecimiento

• Nutrientes: Alimentos ricos en hidratos de carbono, proteínas o grasas.
• Acidez (pH): Es el logaritmo de la inversa de la concentración de iones hidrógeno de una disolución.
• Temperatura: Es uno de los factores más relevantes en el crecimiento de los microorganismos. Todos los microorganismos necesitan una determinada temperatura para desarrollarse a su velocidad máxima; esta temperatura se designa como temperatura óptima o ideal.
• Humedad (Actividad de Agua): Si un alimento con baja actividad de agua está almacenado en un ambiente con alta humedad relativa, la actividad de agua de ese alimento aumenta, permitiendo la multiplicación de microorganismos.
• Tiempo: Los microorganismos necesitan estar durante algún tiempo en condiciones óptimas para crecer.
• Oxígeno: La presencia de oxígeno en el medio ambiente también tiene influencia en el tipo de microorganismo que puede crecer en un determinado alimento y en la velocidad a la que se multiplicarán.

Microorganismos Eficientes en Procesos Industriales

Son aquellos que han mostrado beneficios para:

• Tratamiento de aguas negras.
• Reducción de malos olores.
• Producción de alimentos libres de agroquímicos.
• Manejo de desechos sólidos y líquidos generados por la producción agropecuaria, la industria de procesamiento de alimentos, fábricas de papel, mataderos y municipalidades, entre otros.

Se componen de cinco grupos microbianos generales:

• Bacterias ácido-lácticas
• Bacterias fotosintéticas
• Levaduras
• Actinomicetes
• Hongos filamentosos con capacidad fermentativa

Metabolitos Primarios y Secundarios

Los metabolitos se caracterizan típicamente por ser moléculas pequeñas con diversas funciones. Pueden clasificarse en metabolitos primarios y secundarios. Estos metabolitos pueden ser utilizados en microbiología industrial para obtener aminoácidos, desarrollar vacunas y antibióticos, y aislar los químicos necesarios para la síntesis orgánica. Los metabolitos primarios y secundarios se utilizan a menudo en microbiología industrial para la producción de alimentos, aminoácidos y antibióticos.

Metabolitos Primarios

Están involucrados en el crecimiento, desarrollo y reproducción del organismo. El metabolito primario es típicamente un componente clave en el mantenimiento de procesos fisiológicos normales; por lo tanto, a menudo se le conoce como un metabolito central. Los metabolitos primarios se forman típicamente durante la fase de crecimiento como resultado del metabolismo energético y se consideran esenciales para el crecimiento adecuado.

Metabolitos Secundarios

Son típicamente compuestos orgánicos producidos a través de la modificación de metabolitos sintasas primarias. Los metabolitos secundarios no juegan un papel en el crecimiento, desarrollo y reproducción como lo hacen los metabolitos primarios, y normalmente se forman durante el final o cerca de la fase estacionaria del crecimiento.

Métodos de Conservación y Preservación de Cepas Microbianas

¿Qué es el Inóculo?

En microbiología, se denomina inóculo a la concentración de microorganismos utilizada para realizar un cultivo microbiano.

Criterios para la Obtención de un Buen Inóculo

Condiciones Ambientales

• El medio en el que crece el microorganismo determinará su adecuado desarrollo.
• El pH, la temperatura y la presencia de oxígeno son los parámetros más importantes cuando se pretende utilizar un microorganismo industrialmente.

Conservación del Inóculo

Los tres objetivos que hay que alcanzar para conservar correctamente las cepas microbianas en los laboratorios de microbiología son:

• Que el cultivo a conservar sea puro, evitando que se produzcan contaminaciones durante el proceso de conservación.
• Que durante el tiempo de conservación sobreviva al menos el 70-80% de las células.
• Que estas células permanezcan genéticamente estables.

Etapas de Desarrollo del Inóculo

1. Reactivación de la cepa.
2. Crecimiento del microorganismo en medio sólido o líquido.
3. Crecimiento del microorganismo en un medio de cultivo líquido.

Desarrollo del Inóculo

Es vital ir incrementando el volumen para que a escala industrial se alcancen los resultados óptimos. Si el número de células no es el adecuado, la producción no será óptima. Además, si crece en condiciones diferentes a las posteriores (industriales), existirá una fase de latencia en el fermentador, reduciendo así su rentabilidad.

Características del Inóculo

• La cepa o cultivo a utilizar debe ser genéticamente estable.
• La cepa o cultivo debe estar libre de contaminantes.
• El microorganismo a usar debe ser de fácil conservación sin pérdida de sus características.
• Un inóculo debe tener la capacidad de crecer e invadir rápidamente el sustrato (velocidad de crecimiento).
• El inóculo implica obtener una suspensión de microorganismos viables, aptos para reproducirse y producir metabolitos a escala industrial.

Factores a Considerar

• Concentración de células alcanzada (inóculo).
• Concentración de células inicial (fermentación).
• Concentración inicial del sustrato.
• Fase de crecimiento apropiada.

Importancia del Desarrollo de Inóculos

• Para la elaboración de procesos fermentativos en la industria de los alimentos (panadería, lácteos, otros).
• Para la optimización de los resultados en los procesos biotecnológicos.
• En la comercialización como cultivos liofilizados.
• Desarrollo de inóculos de microorganismos lácticos y levaduras para la nutrición y alimentación animal.

Formas de Cuantificar el Inóculo

Existen varios métodos para medir la concentración de microorganismos. Los más comunes son:

1. La determinación del número de células.
2. La determinación de la masa celular o biomasa.

Métodos de Conservación de las Cepas Microbianas

Cultivos Microbianos: Preservación

La preservación de cepas microbianas no es tarea fácil y debe garantizar la viabilidad, pureza y estabilidad genética de los cultivos, características que coinciden con los objetivos de un buen método de conservación. Con frecuencia, la elección de la técnica más adecuada para conservar cultivos microbianos resulta difícil, pues deben tomarse en consideración los criterios de viabilidad y pureza de las cepas, cambios poblacionales y genéticos, número y valor de los cultivos, costo, suministro y transporte de cepas, así como la frecuencia del uso de los cultivos.

Cultivos Microbianos Alimenticios

Los cultivos alimenticios microbianos son bacterias vivas, levaduras u hongos que se utilizan en la producción de alimentos. Llevan a cabo el proceso de fermentación en los alimentos y mejoran sus cualidades nutricionales y organolépticas (gusto, vista, olfato y tacto). Se identifican y describen más de 260 especies diferentes de cultivos alimenticios microbianos por su uso beneficioso en productos alimenticios fermentados a nivel mundial, lo que demuestra la importancia de su uso. Los cultivos alimenticios microbianos utilizados en la fermentación alimentaria se pueden dividir en tres grupos principales: bacterias, levaduras y mohos.

Cultivos Microbianos: Bacterias

Los cultivos alimentarios microbianos se pueden dividir en cultivos iniciadores y probióticos.

1. Cultivos Iniciadores: Tienen principalmente una función tecnológica en la fabricación de alimentos. Se utilizan como ingredientes alimentarios en una o más etapas del proceso de fabricación de alimentos y desarrollan la actividad metabólica deseada durante el proceso de fermentación o maduración. Contribuyen especialmente en lo que respecta al sabor, color, textura, seguridad, conservación y nutrición.
2. Probióticos: Tienen un papel fundamental que se refiere a la capacidad de ciertos microorganismos para conferir beneficios para la salud al consumidor. Generalmente, las bacterias utilizadas como cultivo iniciador no son las mismas que se utilizan como probióticos. Sin embargo, hay casos en los que una bacteria se puede utilizar como cultivo iniciador y como probiótico.

Las bacterias más importantes en la fabricación de alimentos son las especies Lactobacillus, pertenecientes al grupo de bacterias del ácido láctico.

Cultivos Microbianos: Levaduras

La levadura Saccharomyces cerevisiae se ha utilizado en la elaboración de cerveza, vino y horneado durante miles de años. Se la conoce como levadura de alta fermentación porque crea una espuma en la parte superior de la infusión. El alcohol se forma por la fermentación de azúcares en el jugo de uva, con dióxido de carbono como subproducto. La levadura está presente de forma natural en los hollejos, y esto por sí solo puede ser suficiente para que se produzca la fermentación de azúcares en alcohol. Por lo general, se utiliza un cultivo de levadura pura, con mayor frecuencia S. cerevisiae, para garantizar que la fermentación sea confiable.

Cultivos Microbianos: Hongos

Los hongos son eucariotas con un nivel de complejidad biológica superior al de las bacterias. Portan esporas y tienen reproducción tanto sexual como asexual. Los hongos pueden ser unicelulares o pueden diferenciarse y hacerse multicelulares mediante el desarrollo de filamentos con ramificación larga.

Esporulación

La esporulación es el proceso de formación de esporas (un mecanismo de reproducción asexual) y endosporas (una formación de vida muy resistente que ocurre en algunas bacterias). En ambos casos, la esporulación implica la formación de estructuras capaces de soportar diversas condiciones del ambiente.

Esporulación en Bacterias

Las endosporas son una forma de organización particular que adquieren ciertas bacterias cuando se encuentran bajo condiciones de falta de nutrientes en el ambiente. Las células bacterianas atraviesan un proceso en el cual reducen su contenido interno y crean una fuerte pared celular.

Esporulación en Hongos

En los hongos, la esporulación se lleva a cabo en estructuras específicas, dependiendo del tipo y especie de hongo. Las esporas se liberan al medio ambiente, generalmente de manera aérea, y se transportan a través del viento a nuevos destinos. Los hongos productores de esporas pertenecen a los ascomicetos, basidiomicetos y conidióforos (hongos imperfectos).

Esporulación en Levaduras

El proceso de formación de esporas para la supervivencia en condiciones adversas de las levaduras se activa por falta de nutrientes, estrés ambiental o cambio de temperaturas. Las esporas son resistentes y pueden permanecer inactivas hasta que las condiciones mejoren. También pueden ayudar en la conservación y almacenamiento de levaduras.