Cultivos de bioprotección: la forma natural de proteger los alimentos

 Los productores de alimentos procesados enfrentan un gran desafío, con consumidores que demandan cada vez más alimentos seguros y con mayor vida útil pero que a su vez tengan el menor procesamiento posible, mínimo daño por calor o congelamiento y que no contengan preservantes químicos. En la búsqueda de nuevas formas de extender la vida útil y mejorar la seguridad alimentaria -mientras se cumple tanto con la legislación como con las demandas de los consumidores-  despiertan gran interés los métodos alternativos y naturales de conservación, tales como los cultivos de bioprotección.

 

¿Qué es la bioprotección?
La bioprotección busca mejorar la seguridad alimentaria así como extender la vida útil de los productos. Se define como bioprotección a la preservación de alimentos usando su microbiota natural y controlada y/o sus metabolitos antimicrobianos, para diferenciarla de la preservación química. Los cultivos antagónicos agregados a alimentos para inhibir patógenos y/o extender la vida útil(1) modificando lo mínimo posible sus propiedades sensoriales se denominan cultivos bioprotectores(2).

Los cultivos alimenticios microbianos son bacterias vivas, hongos y levaduras utilizados en la elaboración de alimentos y tienen un enorme potencial para su uso en la bioprotección, ya que son seguros para el consumo y dominan a la microbiota en forma natural durante el almacenamiento.  De acuerdo a la Asociación Europea de Alimentos y Cultivos Alimentarios (EFFCA), el término “cultivos bioprotectores” se aplica a los cultivos alimentarios microbianos que, exhibiendo una actividad metabólica, contribuyen a inhibir o controlar el crecimiento de microorganismos indeseables en alimentos, los cuales pueden ser bacterias patógenas, hongos toxigénicos y/o levaduras. Esta propiedad es el resultado del metabolismo activo del cultivo fermentativo, lo que conduce a acciones tales como un sistema de competencia complejo por los nutrientes y espacios de interacción y la producción de metabolitos inhibitorios, como ácidos orgánicos, peróxido de hidrógeno, diacetilo y bacteriocinas.
 

Empleo de BAL en alimentos
El uso de las bacterias ácido-lácticas (en adelante, BAL) en los alimentos tiene una larga historia. Entre los años 10.000 y 6.000 A.C. las civilizaciones empiezan a constituirse como poblaciones estables con hábitos sedentarios de vida y comienzan a dominar cultivos y animales para tener una provisión continua de alimentos. También tiene inicio la  generación y acumulación de excedentes de productos agropecuarios en los cuales, al ser mantenidos a temperatura ambiente, se producen fermentaciones que transforman esa materia prima en  nuevos productos alimenticios de características distintas. Las bases científicas de dichas fermentaciones se desconocieron hasta que en 1870 Pasteur propone que la acidificación de la leche está asociada con el crecimiento y la actividad metabólica de seres vivos microscópicos, más tarde catalogados como bacterias del ácido láctico (o bacterias ácido-lácticas, como se las conoce hoy en día). A partir de entonces han sido innumerables la cantidad de trabajos científicos realizados sobre este grupo de bacterias(3).

Las BAL están en la lista GRAS (generalmente reconocidas como seguras), debido a su asociación típica con la fermentación de los alimentos y su larga tradición como bacterias de grado alimentario. Además, los péptidos antimicrobianos producidos por las BAL pueden ser descompuestos fácilmente por las proteasas digestivas, por lo que no producirán trastornos en la microbiota intestinal. 

Las BAL pueden ejercer un efecto bioprotector o inhibidor contra otros microorganismos como resultado de la competencia por nutrientes y/o de la producción de bacteriocinas u otros compuestos antagónicos, tales como ácidos orgánicos, peróxido de hidrógeno y enzimas. Se puede hacer una distinción entre cultivos iniciadores y protectores, en los primeros prima la actividad metabólica (producción de ácido, hidrólisis de proteínas), mientras que la acción antimicrobiana constituye el principal objetivo en los segundos.

La capacidad preservante de las BAL en los alimentos se atribuye a la producción de metabolitos antimicrobianos, incluyendo ácidos orgánicos y bacteriocinas. La producción de ácidos como resultado del catabolismo de carbohidratos es una característica común entre las BAL, aunque no todas las BAL pueden producir péptidos antimicrobianos durante el crecimiento. Ya que numerosas bacteriocinas han sido aisladas durante las últimas décadas, la producción de estas sustancias antagónicas parece ser un fenotipo común entre las BAL. 

Las BAL deben su nombre a que fueron reconocidas por primera vez como los microorganismos responsables de la acidificación de la leche por producción de ácido láctico. No constituyen un grupo taxonómicamente definido, sino que bajo esa denominación se incluyen diversos géneros filogenéticamente relacionados o cercanos que comparten características morfológicas, fisiológicas, metabólicas y ecológicas.
 

Estabilidad en almacenamiento: el “efecto barrera”
La seguridad y estabilidad microbiana -así como la calidad sensorial y nutricional de los productos alimenticios- se basan en la aplicación de factores preservantes o “barreras”. Estos factores fueron introducidos empíricamente en alimentos tradicionales mientras que para productos alimenticios más nuevos se seleccionaron y aplicaron barreras(5). Esta tecnología, derivada del entendimiento del efecto barrera(6), hace referencia a una combinación deliberada de técnicas ya existentes (temperatura, actividad acuosa, preservantes) y nuevas (envasado con gas, bacteriocinas) a fin de establecer una serie de factores preservantes más selectivos (barreras) que los microorganismos dañinos y patógenos no puedan superar. El antagonismo microbiano también es aprovechado mediante la modificación de condiciones medioambientales para lograr una competencia controlada y favorecer el crecimiento de organismos específicos, especialmente BAL, y que así se produzca una secuencia bacteriana predecible. 

Las bacterias interactúan entre sí y con el medioambiente. Sin embargo no son esos factores los que determinan el crecimiento, la muerte o la supervivencia de las bacterias. La prevalencia de ciertas especies estará determinada por su nivel inicial relativo, afinidad por los sustratos, disponibilidad de los sustratos, tasa de crecimiento relativa de las especies que compiten a diferentes temperaturas y la producción de metabolitos antimicrobianos. Las BAL pueden producir una amplia variedad de metabolitos antagónicos primarios y secundarios incluyendo ácidos orgánicos, diacetilo, CO2 y bacteriocinas, las que son péptidos ribosomales activos contra patógenos de origen alimentario tales como L. monocytogenes, Clostridium y otras bacterias dañinas.
 

Evaluación de efectividad
El desempeño de los cultivos microbianos puede ser evaluado mediante distintas pruebas de laboratorio tales como los tests de desafío. Un test de desafío es una prueba que consiste en la inoculación artificial de un cóctel de bacterias a un producto alimenticio para estudiar su comportamiento durante la vida útil y bajo condiciones de almacenamiento controladas.  

Los test de desafío diseñados como análisis comparativo para demostrar el efecto de los cultivos de bioprotección contra diferentes contaminantes en productos lácteos reales demuestran si existe un efecto bajo contaminación constante, y los resultados son fáciles de interpretar. Cabe considerar que los mismos están basados en niveles de contaminación elevados, los productos sujetos a pruebas están expuestos a mucho oxígeno y los contaminantes crecen en condiciones de exposición al ambiente durante la vida útil del alimento. Debido a estas condiciones experimentales, el crecimiento de los contaminantes en los test de desafío se ve acelerado y se espera que cualquier efecto inhibidor que se observe en estas pruebas por efecto de los cultivos bioprotectores se vea amplificado bajo condiciones reales. 

Los análisis metagenómicos se han convertido también en una poderosa herramienta para el estudio de la microbiota de muestras y evaluar así la implementación del cultivo agregado en los alimentos. La combinación de ambos análisis es útil para demostrar la eficacia de los cultivos para mejorar la calidad microbiana de los alimentos(7).
 

Bioprotección de quesos y lácteos frescos

Aplicación en quesos

El deterioro de quesos duros y semi-duros puede ser causada por el crecimiento de bacterias Gram positivas formadoras de esporas anaeróbicas tales como Clostridium butryricum, Clostridium tyrobutyricum y Clostridium sporogenes. El desarrollo del Clostridium resulta en una producción de gas y ácido butírico, responsables de una completa pérdida de caracterización de la textura y sabor de los quesos. Una alternativa utilizada hace muchos años en la industria es el uso de nitrato de sodio como forma de evitar el crecimiento del Clostridium. Pero el uso de este conservante posee algunas desventajas, dado que los concentrados de suero en polvo pueden ser utilizados cada vez más en formulaciones de alimentos donde este conservante no debería estar presente.

Agregando cultivos alimentarios mesófilos homofermentativos de cepa única Lactococcus lactis subsp. lactis a la leche, su sistema metabólico produce nisina durante el proceso de elaboración de los quesos. La nisina es un bactericida conocido que inhibe bacterias del grupo Gram positivas formadoras de esporas anaeróbicas. Algunos estudios muestran también su eficacia en bacterias del grupo Brevibacterium linens, controlando el desarrollo de manchas amarillentas en la superficie del queso. Cuando se agrega directamente a la leche, la nisina inhibirá rápidamente cualquier cultivo que hubiese sido agregado o esté presente en la leche, interfiriendo directamente en la formación de ácido láctico u otros compuestos de la fermentación secundaria. La nisina ha sido aprobada como aditivo alimentario en más de 50 países -incluidos la UE y los EE.UU.- donde cuenta con el status de GRAS para su uso en alimentos y bebidas(9).

 

Aplicación en lácteos frescos
En la actualidad, el principal desafío para los productores de lácteos frescos es la contaminación por hongos y levaduras que están presentes en forma natural en el ambiente y pueden producir deterioro, especialmente en aquellos productos expuestos a una interrupción en la cadena de frío desde la planta elaboradora hasta llegar al consumidor. Además de las propiedades ya descritas, las BAL tienen el potencial de ser efectivos en combatir hongos y levaduras. Si bien los cultivos bioprotectores no los eliminan, son muy efectivos en retrasar su crecimiento: en el caso de los hongos, retardan el desarrollo micelar, mientras que en las levaduras extienden la fase de latencia y disminuyen el ritmo de crecimiento.

Un método utilizado habitualmente en la industria es el agregado de sorbato en la formulación. En general el sorbato tiene un impacto mayor durante la primera etapa de crecimiento de los hongos y demora la aparición de los primeros indicadores visuales de su presencia, pero el crecimiento en sí no es inhibido durante el resto de la vida útil del producto. 

Al aplicar cultivos bioprotectores de cepas seleccionadas Lactobacillus rhamnosus y Lactobacillus paracasei en forma individual o combinada a productos lácteos frescos (leches fermentadas y quesos tipo Cottage, Tvarog o Quark, entre otros), el impacto en el crecimiento inicial de los hongos es menor, pero la inhibición en el crecimiento y esporulación posteriores se extiende a toda la cadena de valor. El mismo patrón inhibidor se observa en las levaduras. Ambas especies son consideradas como seguras (QPS por sus siglas en inglés) por la European Food Safety Authority y han sido testeadas para confirmar que no producen metabolitos no deseados ni poseen genes de resistencia adquirida a los antimicrobianos.

La acción de los cultivos alimentarios bioprotectores extiende la vida útil de los productos lácteos frescos, permitiendo además reducir los desperdicios ocasionados por deterioro que se producen desde la empresa elaboradora hasta el consumidor.
 

Beneficios derivados del uso de cultivos alimentarios de bioprotección

La aplicación de cepas seleccionadas de BAL como cultivo competitivo para inhibir bacterias indeseables es considerada como una barrera biológica adicional para lograr una mayor seguridad en los alimentos, extender su vida útil y permitir un etiquetado limpio, mientras satisface la demanda de los consumidores por productos frescos, naturales y libres de preservantes artificiales. Los principales beneficios derivados de su aplicación en alimentos son: 

 

Seguridad alimentaria
Es responsabilidad de los productores elaborar y comercializar productos inocuos para los consumidores y aptos para el consumo. Ésto coloca a la seguridad alimentaria como prioridad máxima y es aquí donde entran los cultivos de bioprotección.

 

Protección de la marca
La bioprotección de los alimentos es también la protección de su marca. Las marcas que han sido asociadas a problemas de retiro de productos en mal estado pueden hacer pasar un mal trago a la empresa y, en algunos casos, incluso llevarla a la quiebra.

 

Reducción de costos
Los costos se van agregando a lo largo de la cadena de abastecimiento. Los cultivos de bioprotección ayudan a reducir costos de control de calidad, a bajar el inventario mediante una producción más rápida y a reducir desperdicios, entre otros.

 

Sustentabilidad
Desperdiciar comida es una preocupación creciente para el público y un problema ético en un mundo donde la escasez de alimentos existe y seguramente aumente a futuro. Agregar cultivos de bioprotección como una barrera adicional dentro de su programa de seguridad  alimentaria tiene también sentido para la sociedad.

 

Etiquetado
Los cultivos microbianos son considerados ingredientes y entran dentro de la clasificación GRAS. El uso de cultivos de bioprotección permite conservar una etiqueta limpia. Una etiqueta limpia y “sin conservantes” puede usarse como una ventaja diferencial frente a los productos de la competencia.

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