Fermentacion. Simulación de procesos fermentativos “Elaboración de yogurt”

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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL

Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción

Ingeniería en Alimentos

Laboratorio de Alimentos 102

Reporte #1

Simulación de procesos fermentativos “Elaboración de yogurt”

Integrantes:

- Ricardo Ávila

- Melany Onofre

- Anthony Triviño

Profesora: Diana Coello, PhD.

INTRODUCCIÓN

La fermentación láctica tiene como resultado la producción de etanol, bacteriocinas y ácido láctico, dichos compuestos ayudan a que la leche adquiera nuevas propiedades organolépticas y prolongan su conservación. Los principales microorganismos involucrados en este tipo de fermentación son las bacterias acido lácticas (BAL), estas bacterias tienen la capacidad de producir ácido láctico como metabolito principal, a través de azucares como la lactosa encontrada en la leche (Ramírez et al., 2011).

Dentro de los productos elaborados a través de la fermentación ácido-láctica, uno de los más importantes es el Yogurt. Este alimento se forma a través de dos bacterias termófilas: L. bulgaricus y S. thermophilus. Cuando ambas bacterias actúan juntas en el yogurt, la generación de ácido-láctico es mayor y más rápida en comparación a si se desarrollaran de manera separada, esto se debe a una relación especial simbiótica que existe entre ambos microorganismos. Los lactobacilos poseen la capacidad de degradar proteínas para la generación de aminoácidos y péptidos, los cuales son necesarios para el desarrollo de los estreptococos, a su vez, los estreptococos generan ácido fórmico y a partir del ácido α-cetopropanóico, los cuales son aprovechados por los lactobacilos, estableciendo de esta manera una protocooperación entre dichas bacterias (Mestres y Romero, 2004).

El proceso de elaboración del yogurt consiste en el ajuste del contenido de solidos totales, luego se pasteuriza la mezcla, se deja enfriar a 42°C, para luego agregar el cultivo láctico e incubarlo durante 180 minutos hasta que el nivel de acidez llegue a 0.7%, finalmente, la mezcla se almacena en un cuarto frio donde la acidez aumentará a 0.90%. Dependiendo de la textura que el yogurt posea puede ser bebible o de apariencia gelatinosa. En ciertas ocasiones se puede agregar fruta en forma de jalea al producto final (Revilla, 1982).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Primera Hipótesis: Manteniendo los valores bases de los factores y solo cambiando el porcentaje de inoculación se llega a un pH final ideal para los diferentes tipos de yogurt considerando el pH inicial de la leche.

El pH final ideal después de la etapa de fermentación de los diferentes tipos de yogurt está entre un pH de 4 a 4.6 (Hanna instruments, 2019). Manteniendo un tiempo de fermentación de 200 minutos, la relación entre Lactobacillus y Streptococcus inicial 1:1 y el pH de la leche en 6.6, el porcentaje de inoculación para un pH final ideal está en un rango de 1.1 % a 3.1 %.

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Figura 1. pH final ideal a un porcentaje de inoculación de 3.1

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Figura 2. pH final ideal a un porcentaje de inoculación de 1.1

Para “set yogurt” y “stirred yogurt” el pH donde se para la fermentación es a un pH 4.6. Normalmente el tiempo de fermentación se limita de 150 a 180 minutos para “set yogurt” (Lund et al., 2000). En nuestra simulación, como se puede observar en la Figura 1 y 2, se usaron los valores base de los factores, es decir, un tiempo de fermentación de 200 minutos. Nos podemos dar cuenta que sin cambiar algún otro factor el pH final entra en el rango deseado.

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Figura 3. Condiciones para “set yogurt”

Simulando las condiciones reales para “set yogurt” con un pH inicial de la leche de 6.6, se puede observar en la Figura 3 que se llega al pH ideal con un inoculo de 2.5% pero en un tiempo menor, de 160 minutos. En nuestro caso, sin cambiar las condiciones y con un tiempo de fermentación de 200 minutos como se puede observar en la Figura 2, el inóculo necesario solo es de 1.1%. Se puede observar, que no hay necesidad de gastar un porcentaje mayor de inóculo, sin embargo, este caso donde no se varían los factores, es un caso hipotético ya que las empresas habitualmente limitan los factores a rangos específicos basados en los costos se tendrán.

Por otro lado, el pH inicial que es el pH de la leche también se debe de tomar en cuenta, ya que esto afectará el crecimiento debido a los pH óptimos de cada bacteria.

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Figura 4. pH inicial de la leche modificado con 1.1% de inóculo

Se puede observar en la Figura 4 a comparación de la Figura 2 que el pH final es más bajo, de 4.33. Nos damos cuenta de que el pH inicial afecta al final y por lo tanto el % de inóculo se tendrá que modificar para llegar en este caso a un pH de 4.6 para “set yogurt”. Es decir, que es importante estandarizar la leche que se va a utilizar para los procesos de fermentación, ya que el pH de la leche puede variar por proveedor y aunque el cambio en pH es mínimo cuando termina la fermentación y entran a almacenamiento, los procesos “post-souring” que ocurren durante este almacenamiento pueden llevar a un “over-souring” al tener un pH menor al deseado (Lund et al., 2000).

Segunda Hipótesis: La disminución del tiempo de fermentación y del porcentaje de inóculo, provoca un aumento en el pH final del yogurt 

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Figura 5. Tiempo de fermentación y porcentaje de inoculación estándar

Como se observa en la figura 5, se realizó la simulación con las condiciones óptimas de crecimiento tanto para Lactobacillus como para Streptococcus obteniendo como resultado el valor de pH de 3.82. En la gráfica podemos observar cómo mientras mayor es el tiempo de fermentación va disminuyendo el pH. Podemos ver en la gráfica que existe un tiempo de adaptación corto para el Lactobacillus, a diferencia del Streptococcus que no se observa tiempo de adaptación, sino fase exponencial hasta después 100 minutos, luego de esto se muestra su fase de latencia y para el tiempo de fermentación de 200 minutos se observa como el Lactobacillus también entra a la fase de latencia.

Ahora empecemos la modificaciones con el tiempo de fermentación:

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Figura 6. Modificación en el tiempo de fermentación y porcentaje de inoculación estándar

En la figura 6, se observa el cambio en el tiempo de fermentación, manteniendo el inoculo de 2.5%, en donde finalmente se obtiene un pH de 4.49. Esto quiere decir que existe una relación inversamente proporcional entre el tiempo de fermentación y el pH.  Ahora observemos el escenario en el que no solo se modifica el tiempo de fermentación sino también el porcentaje de inóculo utilizado.

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Figura 7. Modificación en el tiempo de fermentación y porcentaje de inoculación

En la figura 6 se observa el valor del tiempo de fermentación y el porcentaje de inóculo modificado en donde, a diferencia de las dos figuras anteriores, el pH es de 4.60 el cual es óptimo para un producto como yogurt. En este caso se disminuyó el tiempo de fermentación a una hora con treinta minutos y se disminuyó el porcentaje del inóculo de 2.5% a 2%. Las variables más importantes en la fermentación son: cantidad del cultivo iniciador (es decir, porcentaje del inóculo), temperatura y características fisicoquímicas.  El inóculo microbiano tiene una fuerte influencia en el proceso fermentativo. Mientras que algunas bacterias necesitan vitaminas para crecer hay otras que sintetizan estas vitaminas.  Las concentraciones de ácido láctico, galactosa, aminoácidos libres y ácidos grasos aumentan a medida como resultado de la fermentación mientras que la concentración de lactosa disminuye (Lourens-Hattingh and Viljoen, 2001). Una vez que la producción de sustratos disminuye y las bacterias ya no pueden producir más, el pH empieza a aumentar ya que, la acidificación es la responsable del proceso de coagulación de la leche. Las moléculas de caseína se desestabilizan a un pH de 5.3-5.2 y el proceso completo de precipitación ocurre entre un pH de 4.7 ´ y 4.6 (Rodrıguez-Bernal et al., 2014), que es cuando ya se refrigera para mantener el pH con ayuda de la temperatura

CONCLUSIONES

• La simulación del yogurt nos permite identificar las variables que pueden ser modificadas sin necesidad de realizarla en la vida real ,sin embargo, es necesario recalcar que si bien la simulación se acerca mucho a la realidad no se la debe tomar como una referencia , puesto que existen factores que influyen o podrían influir en el proceso y no están considerados en el simulador.
• El pH inicial que posee la leche antes de someterse al proceso de fermentación influye en el pH final que el producto fermentado tendrá, por lo cual, en las industrias que se dedican a producir alimentos a través de la fermentación láctea, es de gran importancia estandarizar las condiciones iniciales de toda la materia prima (leche) con la que iniciaran sus procesos.
• El porcentaje inicial de inoculación es un factor fundamental en el proceso de fermentación, debido que, a mayor porcentaje, menor será la cantidad de tiempo en la que se llegará a un pH óptimo, lo cual resulta de mucha importancia en las industrias, ya que generalmente se trata de acelerar los procesos para optimizar costos

PREGUNTAS

a)

Para reducir el tiempo de fermentación de 200 a 150 minutos, se podría aumentar el porcentaje de inoculación de 2.5 hasta 4.8, de esta forma el producto final de la fermentación tendría un pH de 4.01 y el producto inicial, el cual es la leche, estaría en un rango de pH aceptable. La cantidad de inóculo es importante para un proceso de acidificación normal y para asegurar una concentración final de bacterias durante todo el almacenamiento en frío del producto (Kristo et al., 2003). Gagñay especifica que la cantidad de inoculo agregado determina el tiempo de fermentación y con ellos la calidad del producto,  por lo que se utiliza 2-3% de cultivo a una temperatura de 42-45°C y un tiempo de incubación de 2-3 horas (Gagñay, 2010), en esta simulación se utilizó un tiempo de fermentación de una hora y media con un porcentaje mayor a lo habitual. Para poder realizar estos cambios en la vida real se debería tener en cuenta el costo del inóculo, ya que se aumentaría su cantidad, a su vez, también se debe tener en cuenta de que, si se aumenta la cantidad de inóculo, estas bacterias necesitarían mayor concentración de recursos para sobrevivir, ya que los microorganismos iniciadores transforman la lactosa y otros carbohidratos de la leche en ácido láctico y en otros productos como acetaldehído treonina, piruvato, CO2, diacetilo, exopolisacaridos, los cuales contribuyen al sabor, la textura y el aroma específico del yogurt (Rodrıguez-Bernal et al., 2014), por lo que para poder alcanzar a las características necesarias que debe tener un yogurt se necesitaría una inversión mayor.

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